基于LoRa的无线数据传输系统的设计与研究

王毅鸿 凌朝东

摘要： 随着物联网应用的不断发展，从无线应用开发和工程运维人员角度来看，传统的传输技术在各个物联网行业应用方面不能同时兼顾远距离和低功耗等问题，渐渐不能满足我们的需求。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa技术对于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。该文针对LoRa无线通信技术，将LoRa技术运用于数字对讲机无线通信，提出借助智能手机和蓝牙技术，构建多功能数字对讲机解决方案，可用于无人区等无网络区域。

关键词：LoRa ；数字对讲机 ；无线网络技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0027-03

Abstract： With the continuous development of the Internet of things applications， from wireless application development and engineering operations staff perspective， the traditional transmission technology in the application of the Internet of things industry cannot both distance and low power consumption， gradually can not meet our requirements. LoRa is one of the LPWAN communication technologies， which is a remote wireless transmission scheme based on spread spectrum technology adopted and popularized by Semtech company.LoRa technology provides users with a simple system to realize long-distance， long battery life and large capacity， and then extend the sensor network， for the compromise of transmission distance and power consumption.LoRa wireless communication technology， the author of this paper， the LoRa technology used in digital radio wireless communication， put forward with the aid of smart phones and bluetooth technology， construction of multi-function digital intercom solutions， can be used in the no man's land， and other areas have no network.

Key words： LoRa； digital intercom； wireless network technology

1 引言

長期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向”商业化”。传输任何信息都需要一定的带宽，而随着无线通信的广泛应用，无线频道变得拥挤，频道资源紧张，干扰多且很严重。扩频通信技术有很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术。本文提出利用LoRa无线扩频技术的超远距离通信，相比于传统的数字对讲机大大改善了传输距离和抗干扰能力。同时，在对讲机硬件系统中添加蓝牙模块，结合智能手机、蓝牙无线通信技术，基于智能手机及其中运行的APP软件，实现短信息收发、位置追踪、轨迹记录等数据业务。

2 无线通信系统概述

一般应用场景中，对讲机之间通过LoRa网络连接，形成一个对讲机数据传输系统自主网络。在此系统中，每个对讲机之间可以和有效距离范围内的任何对讲单元进行连接，通过LoRa网络进行数据传输。与传统的数字对讲机类似，可实现语音对讲功能。由于LoRa技术长通信距离、低功耗、高鲁棒性等技术特点，在通信距离和抗干扰能力上将远远优于传统的数字对讲机。同时，每个对讲机内都设计蓝牙连接模块，对讲机可以通过蓝牙连接到各自的智能手机，运行智能手机上APP软件可是实现数据传输功能。其系统组成如下图1所示。

在数据传输系统中，智能手机提供了丰富的硬件外设和软件执行换环境。手机的GPS、陀螺仪、气压计等硬件提供的信息、可以通过对讲机网络进行传输；运行对讲机网络专用配套软件后，手机的触摸屏可以用来对对讲机的写频配置。可以使用大屏幕查看离线地图、清楚队员的位置信息、进行类微信的个人聊天和组队聊天。数据传输过程如下：首先手机数据通过蓝牙无线传输将数据传送到对讲机蓝牙模块。然后对讲机之间通过透传的方式将数据传送到LoRa模块中。LoRa将接收到的数据广播出去，对端收到数据后一样通过透传的方式传输到蓝牙中进行缓存。最后对端通过蓝牙传输将数据发送到对端智能配置APP中。其系统框图如下图2所示。

3 系统组成

本文中系统设计主要包括手机APP的软件设计、智能对讲机的软硬硬件设计、及LoRa与蓝牙Ble之间无线数据传输协议。

3.1 手机APP设计

手机APP是在iOS8.0以上版本中运行的APP程序，采用Xcode对APP软件进行开发。手机APP开发设计的功能包括有登录、用户注册、设备注册、组队、聊天、消息通知、地图、个人信息设置、手机伴侣设置、帮助与反馈、关于。APP设计界面如图3所示。

3.2 对讲机传输系统硬件设计

由如图2系统结构图所示，整个对讲机系统主要包括MCU主控模块、蓝牙模块、LoRa模块、OLED模块、音频模块。下面分别说明以下模块功能。

3.2.1 MCU主控模块

主要采用STM32F103RET6芯片作为系统的MCU主控模块。其提供了多个串口，使用不同的串口分别连接蓝牙模块、OLED模块、音频模块。同时，使用SPI通信连接LoRa模块，完成主控模块和各主要模块之间的数据通信。

3.2.2 蓝牙模块

蓝牙主要采用nrf52832芯片。RF52系列的2.4 GHz RF收发器设计工作在全球开放的 ISM频段：2.4 - 2.4835 GHz。蓝牙模块选用的无线调制模式及配置包结构，使其能够与其它的2.4GHz协议共同使用。蓝牙模块同时支持BLE低功耗蓝牙和传统蓝牙连接、同时支持数据和语音传输。支持A2DP音频传输模式协定，支持HSP和HFP蓝牙耳机模型协定，支持SPP串口模型协定。蓝牙模块通过串口和主控模块进行通信，主控模块通过串口发送AT指令完成蓝牙的配置和数据收发。其主要的指令包括SPP，A2DP，HFP相关功能的配置，方法实现等。蓝牙连接流程图如图4所示。

3.2.3 LoRa模块

系统LoRa通信模块主要使用SEMTECH的扩频芯片SX1278。这个SX1278配备了传统的FSK模式和LoRa模式两种调制器。LoRa调制解调器使用一种专营的扩展频谱调制技术。在FSK/OOK 模式下，SX1278支持标准调制技术，包括OOK，FSK，GFSK，MSK和GMSK。SX1278特别适合窄带通信，这要归功于采用low-IF架构以及内置的AFC功能。LoRa调制使用了扩频调制和前向纠错码技术来提高范围，与传统的调制技术相比较，这种调制方式允许增加链路预算和减少内在干扰的影响。LoRa模块与主控模块之间采用SPI通信协议进行通信，此通信方式主要由LoRa芯片支持的通信方式所决定的。

3.3 系统传输层设计

系统中同时用到了蓝牙低功耗无线传输和LoRa超远距离无线传输技术。基于蓝牙和LoRa各自的通信协议特点，在传输过程中需要对数据包进行处理。

3.3.1 蓝牙数据包

蓝牙模块在接收到数据时，将接收到的数据缓存并以广播的形式发送出去。广播着是针对从设备而言的，广播者通过发送广播包或者扫描响应数据包向主设备发送数据信息，通过接收扫描请求包或者连接请求包来接收数据消息。不同的广播行为有这不同的广播载荷。本系统中连接请求时其载荷入表1所示。LLData数据内容如表2所示。

LoRa调制器使用两种类型的包格式，显式和隐式。本系统使用LoRa的显性调制模式。显式数据包包括包头（preamble）、可选数据包头模式（optional header）、数据包（the data payload）。其中显式数据包包头的主要功能是用来同步接收者与传入的数据流，有两种模式类型进行选择；LoRa数据包格式又分为可变数据包模式和不可变数据包模式。系统中选择可变数据包模式用来匹配蓝牙的数据包模式。可变数据包格式如下图5所示。

3.3.3 自定义数据包协议

MCU对蓝牙进行读取信息后，需要通过SPI将数据传输给LoRa进行传输。因此，蓝牙协议一次只能够传输20字节的数据。而LoRa传输最高可达255字节数据。因此需要在蓝牙包和LoRa包之间进行数据的拆包和组包处理。发送方将待发送的消息进行拆包操作，首先生成消息包头类型的蓝牙包，然后生成消息内容蓝牙包。消息包头包括：发送者身份、接收者身份、消息编号、总的发送包数量、当前发送包编号、当前头包标识、后续包标识等。数据包包括：消息类型、消息识别码、每个包序列号、命令编号、用户数据等。拆包过程如下：

（1）判断数据是否为空

（2）提取消息类型

（3）计算消息包总数量

（4）组合数据头包，存放到临时字节数组中

（5）组合数据内容包，存放到临时字节数组中

（6）从数组中逐一读取20字节数据包发送

4 系统测试

在初步测试中，我们采用典型的无网络架构进行测试，即：队员手机均处于无网络状态下，互相之间无法通过手机进行联络。此状态模拟在户外探险或者地下室等严苛条件下，标志着所有的用户都没有手机信号，无法通过手机或者网络进行数据交流沟通，测试情况如表3所示。

测试人数：4人

测试距离：在1km到15km之間变化

测试环境：选择在地下室或者户外无网络的区域。

5 结束语

本系统将LoRa扩频通信技术运用于对讲机之间的通信，同时增加蓝牙通信模块，运用手机的智能化硬件。不仅解决了对讲机的长距离和抗干扰的问题，同时扩展了传统的数字对讲机单一的数据传输功能。该系统为在户外救援、探险、地下室通信等工作提供了更好的保障。经关键业务测试，该方法具有更好的通信可靠性。

参考文献：

[1] 谭晖. 低功耗蓝牙开发与实战[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2016： 9-13.

[2] 赵静，苏光添. LoRa无线网络技术分析[J]. 移动通信， 2016，40（21）： 50-57.

[3] 龚天平. LoRa技术实现远距离、低功耗无线数据传输 [J].电子世界，2016（10）：115-116

[4] Semtech. LoRa advantage vs FSK vs Sigfox vs LTE-M[EB/OL]. https：//www.semtech.com

[5] ALow-power Real-timeAir Quality Monitoring System Using LPWAN based on LoRa . Sujuan Liu College of Electronic Information and Control Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China.

[6] Joint optimization of LORA and spares stocks considering corrective maintenance time.R. Du；T. PadirTechnologies for Practical Robot Applications （TePRA）， 2014 IEEE International Conference on，2014.