LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输

中国船舶重工集团公司第七一○研究所 龚天平



LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输

中国船舶重工集团公司第七一○研究所 龚天平

【摘要】本文详细介绍了LORA技术和芯片，列出了几种无线通信技术对比表，设计了以Semtech公司SX1212为无线收发器的电路，给出了以ST公司ARM芯片STM32F373为MCU的信号监测无线数传软件流程图。实测数据表明LORA芯片可以兼容超长距离和超低功耗的无线数据传输。

【关键词】LORA；无线通信；信号监测；超长距离；超低功耗

0　引言

物联网在中国已经发展了多年，无论是智能工业、车联网、智能家居、可穿戴设备等都面临全面爆发的趋势。物联网有三个关键要素：感知、智能、互联。物联网在感知和智能方面已有新的进展，而在互联上，却依然依赖适用于互联网和移动互联网的网络连接方式，如2G、3G、4G等，即使是面向物与物相联的WiFi、蓝牙、ZigBee网络也还是不适应物联网对连接的需求，从无线应用开发和工程运维人员角度来看，一直以来都存在这样一个两难问题：即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一，所以互联已成为制约物联网大规模普及的因素。

2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型、基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术（简称LoRa）的芯片。其接收灵敏度达到了惊人的-148dbm，其功耗极低且不需要使用昂贵的温补晶振，引起了极大的关注。由于该产品使用一种特殊的扩频技术，这使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰。在此基础上研发的集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。采用LoRa技术之后，设计人员可以最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗，同时还可节省额外的中继器成本。以LoRa为代表的低功耗、远距离网络技术的出现，有机会打破物联网在互联方面的瓶颈，基于该技术的测距和定位功能将会推动它在物联网领域的大规模应用。

1　LORA技术简介

LoRa采用星型网络架构，与网状网络架构相比，它是具有最低延迟、最简单的网络结构。基于LoRa的扩频芯片，可以实现节点与集中器直接组网连接，构成星形；对于远距离的节点，可使用网关设备进行中继组网连接。LoRa网络供应商既可以搭建覆盖范围较广的广域网基础设施，也可以通过简单的网关设备搭建局域网，只要物联网设备中嵌入LoRa芯片或模块，即可快速实现组网和快速配置。广域网和局域网两种环境中均可实现便捷组网，在与以自组网见长的ZigBee协议比较，具有明显的优势。应用于低成本传感网的解决方案LoRa使用新型的扩频调制技术，大大提升了物理层硬件的性能，并且在省电方面相比WIFI、蓝牙技术有了明显的改进。

在实际应用中，采用LoRa协议的物联网设备无线通信距离超过15公里（郊区环境），电池使用寿命可达10年以上，并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来，这一优势是传统网络通讯标准无法达到的。几种无线通信方式的传输距离、速率、功耗对比如表1所示：

表1　几种无线通信方式对比表

2　LORA芯片介绍

在信号监测无线数传系统中，无线数传芯片采用SEMTECH公司的LoRaTM调制技术的无线射频芯片SX1212，用于把传感器采集的各类信号（例如声音、压力、磁场等等）通过无线远距离发送出去，也可以接收控制中心或手持自检预置器的命令。无线数传芯片与MCU通过SPI接口进行通讯。

SX1212具有超远距离扩频调制通讯、高抗干扰性和超低电流功耗，采用星型网络架构，能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来。采用LoRaTM模式可以实现-110 dbm的高接收灵敏度，+12.5 dbm的发射功率，低至3 mA的接收电流消耗，发射电流为25 mA @ +10 dbm。适用于300～510 MHz频段，支持多种调制格式：FSK、ASK和OOK。SX1212集成度非常高，包含了射频功能和逻辑控制功能的集成电路，内部集成压控振荡器、锁相环电路、功率放大电路、低噪声放大电路、调制解调电路、变频器、中放电路等，数据传输速率高达150Kbps，数据处理功能包括一个64字节的FIFO，包处理、自动CRC生成和数据白化。SX1212采用TQFN-32封装，体积为5*5*1mm。若想传输距离更远，可以采用SX1276，它的接收灵敏度高达-148dbm，输出功率高达+20dbm，接收电流为10mA，工作频段为137～1020 MHz。

士兵佩带的自检预置器上的无线收发芯片采用TI公司的CC430f6127，用于接收无线数传模块发送来的各类传感器采集到的物理场信号，并通过无线方式预置参数，下达命令。CC430f6127是一款自带无线收发芯片的微控制器（MCU），内部集成了16位微功耗单片机MSP430F6XX和无线射频收发芯片CC1101，还有96段的LCD驱动器，具有4 KB RAM、32 KB Flash、12位的ADC、DMA、32位的硬件乘法器。CC430f6127的接收灵敏度高达-117 dbm，发射功率最大为+12 dbm，接收电流为15 mA，数据传输速率高达500Kbps。适用于300～928 MHz频段，支持多种调制格式：2-FSK、2-GFSK、MSK、ASK和OOK。CC430f6127采用VQFN-64封装，体积为9.8*9.8*1mm。

3　LORA在信号侦测方面的应用

分布式信号侦测系统是一种利用各种物理特性、侦测传感器隐蔽布设于敌人活动区域昼夜不断地监视敌人活动的一种无源、隐蔽探测技术，在欧美已成为仅次于雷达、光电之后的第三种重要情报侦察技术与手段。分布式侦测微型模块可以通过飞机大面积空投布放在监测区域，用于实时采集被监测区域的声音、压力、震动、磁场等物理场信号，并通过无线收发器把数据发送到远距离监测中心。由于采用纽扣电池供电，且信号必须通过无线方式发送出去，因此利用LoRa实现远距离、低功耗无线传输成为该系统的关键。

3.1无线传输模块硬件电路设计

无线收发器用于将采样的物理场信号进行编码，按照相应格式把数据通过无线网络发送给监测中心，其硬件电路原理图如图1所示。

图1　无线数据传输模块电路原理图

图1中的U4是声表面滤波器，用于衰减规定频带以外的信号；C16、L1、C10是阻抗匹配网络，用于提高带负载能力；L3、L4是压控振荡器电感，调整电感值，即可改变系统工作频率；R10、

C24、C25是锁相环电路，用于稳定锁住输入信号的相位。

3.2电路设计注意事项

LORA芯片设计的关键是RF前端的匹配电路的设计。高频部分的走线尽量的短粗，电源线、地以及其它信号线的走线方向尽量平行，以提高抗干扰能力；尽量缩短元器件之间的连线，以降低相互间的电磁干扰；元器件参数要根据线路板的实际情况作出适当的调节，以抵消分布参数的影响。一般的RF芯片发射与接收端口的阻抗并不是标准的50Ω天线匹配，天线尽量选取高增益的棒状天线，以最大程度地延长通信距离。

图2　信号侦测无线数传软件流程图

3.3软件流程图

SX1212有4种工作模式，分别是正常模式、唤醒模式、省电模式、休眠模式，在程序中通过对配置寄存器写入相应的命令，即可使SX1212工作在相应的模式。主控芯片采用32位ARM嵌入式微处理控制器STM32F373CC，软件开发环境为IAR或MDK，采用C语言调用固件库编程调试，信号侦测无线数传软件流程图见图2。

4　结束语

LORA无线技术具有传输距离远、接收灵敏度高、工作电流低等诸多优点，所以它适用于无线水气抄表、无线遥控系统、无线传感器网络、无线温度压力数据采集、机器人控制等需要用电池长期工作的领域。目前基于LORA无线通信技术已经在成功应用于信号侦测系统中，实测在开阔地带最远通信距离可达3km，模块接收功耗为10mA，无线发射时功耗为30mA，对机动车探测距离超过20m。

参考文献

［1］SEMTECH Company. SX1212 transceiver datasheet［Z］.2010.

［2］STMicroelectronics Company. STM32F373XX datasheet［Z］.2013.

［3］STMicroelectronics Company. RM0313 Reference manual［Z］.2013.

［4］陈博，徐建政，刘霄.新型微功率无线抄表系统［J］.电力自动化设备，201l，31（5）：134-136.

［5］王学水，鲁守宝.基于SX1212的刚体转动惯量无线数传系统［J］.物理实验，2013，33（2）：13-16.

［6］张浩，马世伟，高守玮等.基于CC1110的电力负荷无线数据通信系统设计［J］.测控技术，201l，30（6）：16-20.