杨贵新 张燕芬 吴新

摘要：基于LoRa无线传输技术，设计了一套由终端、基站设备和云服务器组成的传输系统。介绍了系统的总体设计思路和系统中LoRa终端设备、基站设备以及云服务器的具体设计及实现，通过搭建试验验证系统，对LoRa的无线通信性能进行测试试验，证明了LoRa无线通信远距离传输的优势。该系统充分发挥了LoRa技术在远距离、低功耗及大规模组网等方面的突出优点，对未来物联网系统的设计、开发和部署具有一定参考意义。

关键词：物联网；无线传输；系统设计

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）10-56-4

0引言

随着物联网技术的广泛应用，无线传输技术也在不断发展，但是一直以来都难以解决远距离和低功耗之间的矛盾问题[1]。低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技术产生之后，一定程度上解决了此问题，最大程度地实现更长距离的通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本[2]。

LoRa是LPWAN中较为成熟的技术，具有网络覆盖范围广、功耗低及穿透性强的特点[3]。该技术利用了先进的扩频调制技术和编解码方案，增加了链路预算，具有更好的抗干扰性能[4]。2015年Semtech公司带头成立了非盈利的开放组织，称为LoRa联盟。该联盟提出的LoRaWAN技术，可应用于物联网，目前多应用于智慧城市和智慧工业等领域[5]。设计采用了LoRa远程调制解调技术，适合于长距离、低功耗的物联网网络环境。

1系统总体设计

系统基于LoRa技术实现广域无线传输，采用了标准的LoRaWAN通信协议。相比于网状网络，LoRaWAN网络是一个典型的星形拓扑结构，消除了同步开销和多跳，具有结构简单和低功率等特点[6]。

系统主要由LoRa终端设备、LoRa基站设备、交换网络以及云服务器构成。其中终端设备主要完成传感数据采集、设备管理以及LoRa数据通信等功能；基站设备主要完成多通道LoRa数据收发处理和网关功能；服务器主要完成用户注册、设备管理、通信协议解析、网络管理以及信息采集的呈现等功能，系统架构如图1所示。

2系统硬件设计

2.1 LoRa终端设备硬件设计

终端设备硬件功能单元由CPU处理单元、LoRa通信单元、传感器采集單元、蓝牙通信单元、电源管理单元、按键与指示灯单元及SWD调试单元等组成，功能框架如图2所示。

2.1.1 CPU处理单元

CPU处理单元采用Nordic公司的nRF52832实现，主要完成蓝牙数据采集和协议栈的处理功能，它是一款功能强大、高度灵活的超低功耗多协议的CPU模块，带有浮点运算单元的ARM Cortex-M4 32位处理器，工作频率64 MHz，Flash 512 KB，RAM 64KB，在低功耗模式下的灵敏度为-96 dBm，可以支持多种协议，包括BLE蓝牙低功耗和2.4 GHz专有协议，并在运行时自动切换。

2.1.2 LoRa通信单元

LoRa通信单元主要采用Semtech公司的SX1278射频芯片实现LoRa数据的传输，该芯片用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。相较传统调制技术，LoRa调制技术在抗阻塞和选择性方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和低功耗的问题。

2.2 LoRa基站设备硬件设计

LoRa基站设备主要完成多通道LoRa数据收发处理和网关功能，将终端设备上报的数据通过基站设备上报给服务器，完成无线LoRa数据格式到以太网数据格式的转换功能。该设备主要包括ARM数据处理单元、LoRa通信单元、以太网通信单元、GPS+北斗卫星定位单元、RS485外设接口单元、Flash数据存储单元和POE电源管理单元。

2.2.1 ARM数据处理单元

ARM数据处理单元采用ARM9344实现，该CPU能够面对各种处理能力的应用，能够适应-40～85℃的宽温，可以安装部署在各种严苛的室外工作环境，并且提供可插拔带隔离标准POE模块接口和PCIE模块接口。核心处理器为MIPS 74Kc，最高主频为560 MHz，内置单元包括64 BK指令Cache，32 KB数据Cache，单周期乘法加速，兼容MIPS32和MIPS16指令集，寻址方式大小端均支持。

2.2.2 LoRa通信单元设计

LoRa通信单元基于SX1301芯片组和2片SX1255实现，RF前端设计为标准的MiniPCIe。该模组可用于任何嵌入式平台，提供具有USB/SPI连接的mPCIe插槽，能够为模组提供足够的电源供电与数据通信。每个模组支持8个可编程LoRa并行解调通道，允许同时接收多达8个LoRa调制数据包。

3系统软件设计

系统软件主要包括LoRa终端软件、LoRa基站软件和服务器平台软件三部分，总体软件设计如图3所示。

3.1 LoRa终端设备软件设计

终端设备通过九轴传感器采集人体活动时产生的三轴加速度及三轴磁场等信息，通过算法逻辑输出当前的活动姿态；通过气压传感器采集到当前压力数据；通过蓝牙模块收集人体的健康信息。CPU将所采集的数据信息进行汇总处理后，通过LoRa通信模块与基站进行通信，并与服务器进行数据交互，实现数据传输的交互功能，软件主流程如图4所示。

3.2 LoRa基站设备软件设计

LoRa基站设备软件采用分层设计，通过LoRa基站设备完成终端数据汇总、终端数据交换及不同终端数据中转等功能。整个软件分为硬件驱动层、硬件抽象层、功能模块层和应用层，软件总体架构如图5所示。

3.3服务器平台软件设计

服务器平台软件主要包括用户管理模块、传输服务模块、设备管理模块及状态呈现模块等。

（1）用户管理模块

通过用户管理模块，用户可以进行注册，在数据库中建立个人信息的字段，实现对网站服务的接入与使用。用户登录模块对用户信息进行验证，只有验证通过的用户才能够使用系统的服务。用户可以通过个人资料管理模块查看个人资料，并且能够进行个人资料的修改。

（2）传输服务模块

负责完成云服务器与多个基站设备之间的数据通信功能，基站与云服务器之间的协议定义了JSON，GWMP，UDP，IP四层，底下的2层协议属于IP协议栈，而GWMP，JSON融入LoRaWAN的特点。

（3）设备管理模块

LoRa终端设备和基站设备需要在云服务器进行注册后使用。云服务器端提供设备检索功能，通过设定字段检索条件和查询结果显示顺序，返回相应的查询结果，并支持将查询结果导出为Excel文件。云服务器端同时提供设备管理功能，可以查看设备详细信息，还可以进行设备的添加和删除功能。

（4）状态呈现模块

云服务器平台将收集到的终端设备信息进行数据统计处理和信息呈现，通过状态呈现界面，可以清楚地了解到当前入网的终端设备和基站设备的分布情况，以及每个设备当前的状态信息。

4系统测试与分析

基于LoRa终端设备和基站设备搭建了系统演示环境，并对设备的功能和性能参数进行测试。

4.1终端设备的功耗测试

对于无线通信设备，功耗是极为重要的指标，在终端设备的设计上采用了低功耗设计，对终端设备的功耗进行了测试，终端的工作模式与功耗的关系如表1所示。

通过测试结果可以看到，终端设备在低功耗模式下功耗为1.3μA，设备处于数据发送模式时达到最大功耗86.5 mA，设备处于数据接收模式时功耗又降为12.5 mA。所以在终端设计时会实时监测设备的当前状态，尽可能让设备工作在低功耗模式。

4.2 LoRa无线网络通信距离测试

将基站设备架设在海拔比较高的位置，选择没有太多遮挡的城市环境中，通过改变终端设备的位置，对LoRa无线网络进行通信距离的测试。

终端与基站设备进行通信距离测试时，设置LoRa通信的参数：通信频率为470～510 MHz，发射功率为18 dBm，测试结果如表2所示。

由测试结果可知，在通信距离大约4 km的范围内，LoRa无线通信的信号强度没有明显的衰减，丢包率也不太高，传输速率有所下降，但是不影响其正常通信，有效证明了LoRa无线通信远距离传输的优势。

5结束语

根据当前物联网在传输距离和传输功耗上不可兼得的问题，提出了基于LoRa实现广域无线传输系统的解决方案，设计了基于LoRa的终端和基站设备，并搭建了系统演示环境，对相关设备的功耗和通信性能进行了测试，通过测试结果可以看到，与传统无线通信方式相比，LoRa具有功耗低和传输距离长的优点，更加适用于物联网的部署[7]。该系统基于LoRa技术可以进行灵活地部署，并根据用户提供不同的服务，相信LoRa技术将来能够在物联网应用市场中占据一席之地[8]。

参考文献

[1]郑华开.LoRa技术给未来物联网产品带来新的起点[J].电子世界，2016（15）：146.

[2] AUGUSTIN A ，YIJiazi， CLAUSEN T， et al.AStudyofLoRa： Long Range & Low Power Networks for The Internet of Things[J].Sensors，2016，16（9）：1466-1483.

[3] Semtech Corporation.Chirp Signal Processor：European， EP2975814A1[P].2016-01-20.

[4]姚曉海，张晓波.一种LoRa网关路由器及物联网系统.广东， CN205829662U[P].2016-12-21.

[5] GEORGIOU O，RAZA U.Low Power Wide Area Network Analysis：Can LoRa.Scale？[J].IEEE Wireless Communications Letters， 2017，6（2）：162-165.

[6]侯义斌，王进.LoRaWAN技术研究[J].读书文摘，2017（13）：38.

[7]孙曼，张乃谦，金立标，等.基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术， 2016，40（10）：77-81.

[8]刘琛，邵震，夏莹莹.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术，2016，50（5）：43-46，50.