基于LoRaWAN的广域物联网应用解决方案

曹中强 胡静 宋铁成

摘   要：随着物联网技术的广泛应用，基于物联网技术的信息采集系统逐步应用到智慧农业、智能家居等领域。由此，极大地推动了LPWAN的发展。文章提出了一种基于LoRaWAN的物联网解决方案，来突破工程项目在功耗和通信距离方面的瓶颈。LoRa优势在于低功耗、传输距离远，相应地，其传输速率相对较低，非常适合应用于智慧农业等领域。研究并设计了基于LoRa的物联网网关节点软硬件，硬件部分包括各个硬件设备的选型、MCU，LoRa射频等，并设计了硬件电路结构框架，同时设计并实现了包括LoRa数据发送与接收以及电源管理、网关配置等功能的LoRa网关应用软件框架。

关键词：物联网;LoRa技术;LoRaWAN协议;网关节点

1999年，美国麻省理工学院首次提出物联网（Internet of Things，IoT）概念。在将近20年的技术发展和进步之后，物联网的定义越来越完善：物联网是因特网扩展和延展的产物，物体识别系统、全局定位全球定位系统（Global Positioning System，GPS），跟踪由物体控制的物体和智能网络，其实现包括使用信息检测装置将因特网连接日常生活中的各种物体，以实现它们之间的信息交流。通用信息检测装置，如无线传感器网络节点、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）装置、全球定位系统、红外侦察装置、激光扫描器和智能手机。

1    国内外研究现状

截至2016年年初，根据LoRa联盟的数据，全世界有9个国家已经开始建立LoRa网络，有56个国家正在准备建立LoRa网络。LoRaWAN试点工作，该系统将低成本、低能耗和LoRa的大规模无线通信网络功能结合起来，可以解决目前部分物联网项目的瓶颈问题，关键在于电力供应、电力消耗、成本。低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）包括多种技术，除了LoRa，还有窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、随机相位多址接入（Random Phase Multiple Access，RPMA）通信技术、Weightless等。

2    LoRa调制技术

2.1  LoRa关键技术特性

LoRa调制技术由线性调频扩频技术改进而来，采用一个在时间上线性变化的频率啁啾（chirp）对信息进行编码。由于啁啾脉冲的线性特质，收发装置间的频偏等于时间偏移，很容易在解码器中被消除，这也使得LoRa调制可以不受多普勒效应的影响。LoRa接收器能够自动跟踪它收到的频率chirp，提供-130 dBm的灵敏度。

LoRa调制技术通过频谱扩频技术得到改进，该技术使用时间线性变化的可变频率编码信息。由于开关脉冲的线性收发机之间的频率偏移等于时间偏移，在解码器中很容易被消除，因此，LoRa调制不受多普勒效应的影响。LoRa提供-130 dBm灵敏度，接收器自动跟踪接收到的频率控制[1]。

2.1.1  通信参数

LoRa调制涉及3个主要参数，即带宽（Band Width，BW）、扩频因子（Spreading Factor，SF）和速率编码（Code Rate，CR）。LoRaTM调制解调器使用循环误差校正编码率检测直接误差和纠错将增加成本，但可以提高链路的稳定性，并在存在干扰的情况下确保链路的可靠性。每一传输所产生的超载数据如表1所示。

2.1.2  符号速率

BW，SF和CR 3个关键参数的不同设置将影响传输距离、传输速率、抗干扰性和LoRa的灵敏度。LoRa符号由SHIRPS 2SF组成，有效编码SF信息比特。在LoRa中，chirp速率为BW，相当于每秒每Hz带宽。对于SF中的每一个增加1，chirp的频率范围被缩小到1∶2，其持续时间加倍，并且所有符号都会传输一个额外的信息比特，这不会造成降低比特率的不利影响。如果SF是恒定的，则比特率和符号率与BW成比例，而BW加倍，两个都加倍。

2.1.3  数据包结构

LoRaTM调制解调器采用隐式和显式两种数据包格式，数据包结构如图1所示。跟隐式数据包相比较，显式数据包是将数据交互格式点明包含在报文内的一种方式，而隐式数据包是在通信双方的寄存器中将交互格式定义好的一种方式。

LoRaTM调制解調器既使用隐含的也使用明确的分组格式。与隐含数据分组相比，显性数据分组是将数据交互格式包括在消息中的一种方法，而隐性数据分组是在通信对应方的记录中定义交互格式的一种方法。

在前言中，它的作用是使接收机与输入数据流同步。此外，序言的长度不固定，可以根据应用的需要加以调整。报头包含有效负载的有关数据，并且同数据包模式互为对应关系，有两种类型：显头模式和隐头模式，在大多数情况下使用显头模式。

2.2  LoRaTM操作模式

LoRa模式和传统频率变化模式可以自由切换，并且LoRa传输参数也可以在配置寄存器中定义。LoRa相关模式如表2所示。

LoRa接收机有两种接收模式：RX连续模式和RX单一模式。核心区别是：RX连续模式一直保持在接收状态，除非手动切换操作模式，而RX单一模式则只进行一次接收，完成一次接收之后便自动切换为待机模式。这两种接收模式适合于不同用例[2]。

3    物联网网关软硬件设计

3.1  物联网网关硬件设计

3.1.1  LoRaWAN物联网系统网络框架

LoRa 联盟标准的官方网络架构如图2所示。

图2包括终端、网关和服务器的典型LoRaWAN网络架构，终端和网关之间采用星型网络结构，如果两者之间的物理距离在有效距离内，则可以直接传输。在LoRa技术的传输距离上，网关可以转发到多个阶段，使用多种终端部分进行不同的应用，包括类型的传感器和GPS定位设备等，终端节点可以同时发送到多个网关节点。

3.1.2  LoRa网关硬件需求

根据LoRaWAN系统的网络架构和部署在地面上的环境，LoRa网关的设备必须满足以下条件：

（1）价格便宜，从设计来说，该系统能节约资源和人力物力，无论是更有用的应用系统，必须确保LoRa网关设备，即降低成本以确保一个门户的重要配置LoRa及其项目在框架中更广泛地使用。

（2）低耗，由于本网络关口需要长时间的工作，在偏远的郊区或野外地区，不可能取代频繁切换电源或利用其他来源的能源，电力、电气元件应选择低能源消耗，电路设计必须尽可能地简化。

（3）稳定性好，面对地面温度、湿度、压力等外部环境条件的变化，LoRa桥的各个模块必须保证正常运行，不受极端天气的干擾。

（4）满足基本功能需求，选择必须具有强大的数据处理能力，通信射频芯片能承受射频LoRa技术，因为由于网关装置主要涉及大量数据通信芯片、单片机。

3.1.3  LoRa网关的硬件选型

LoRa网关的基本元件主要由微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）和LoRaRF模块组成，其他元件围绕这两个元件运行。设备的大小直接影响印刷电路板的大小，而印刷电路板越大，整个网桥的成本就越高。通过定量选择更便宜的设备，可以降低整个设备的成本，提高LoRa网关的成本效益。

核心控制器的硬件选择：LoRa网关应该根据核心控制器相关选择，须具有较低的功耗和良好的数据处理能力，选择PIC24EP512GU810芯片作为LoRa网关MCU。

LoRa射频的硬件选型：LoRaWAN 物联网系统选定SX1278芯片作为LoRa数据收发器。

3.1.4  LoRa网关硬件电路整体设计

LoRa 网关组件主要包括MCU-pic24ep512gu810芯片、RF系统（包括sx1278芯片）、射频天线、电池和其他闪存芯片、公用电话交换网（Public Switched Telephone Network，PSTN）等，与服务器传输数据的网关设备 还必须有一个RJ45接口[3]。网关设备的电路原理框架如图3所示。

当部署环境由外部电源供电时，①外部电源接口连接到电源电路，否则由电池供电;②12 V电池单元连接到电源，分别电路④和电路⑤;⑤RTC闪存电路，RJ45电路和LoRa信号收发电路;MCU微控制器处理电路分别连接和供电;⑤连接MCU向MCU发送同步信号，然后控制电路④提供低能耗同步功能，而MCU和④检测电池容量③当电池电量不足，控制LoRa数据发送到上层通知网关硬件，记住它MCU连接允许完成接收和数据发射从LoRa开始，当接收到LoRa数据时，连接将数据临时存储在闪存中，并且当要发送数据时，连接通过天线⑧发送临时存储的数据。在LoRa网关盒外，有一个天线，一个天线接口，负责发送和接收所有LoRa无线数据，以及一个在桥上用于匹配相关功能的调试接口。

3.2  物联网网关软件设计及实现

3.2.1  LoRa网关功能相关介绍

根据LoRaWAN物联网系统的网络结构，在整个系统LoRa网关设备拥有两个主要功能：（1）转换数据，将接收到的LoRaWAN格式数据转为其他格式的数据。（2）数据作为类似的中继在几个网关设备或终端之间传输。这两个基本功能是基于LoRa网关设备时必须具备的，网关软件分为3大类，根据从硬件到软件应用程序的分层次序，即培训软件，引导加载程序软件和LoRa网关应用程序如图4所示。

主要用于LoRa网关设备的硬件驱动软件，包括LoRa射频SX1278无线芯片驱动程序、PIC24EP512GU 810芯片及其外部驱动设备以及其他辅助芯片，如RTC芯片。

在LoRa网关设备上通电后，初始化微控制器MCU主要在于引导加载程序软件的功能，设备上的LoRa射频和其他硬件，并且还可以从上层加载某些应用程序[4]。

所有网关设备之间通信的基础是LoRa网关应用程序，在它们之间主要进行传输数据。

（1）Bootloader软件设计。Bootloader是第一个通电后实现的网关设备代码，在完成MCU和其他相关硬件的初始化后，进入应用程序所在的内存空间运行应用程序。此外，引导加载程序还可以与主机协作执行应用程序或其他任务的更新。引导加载程序还必须执行其他功能，包括数据处理和指令、模型评估、应用程序跳转和数据验证，如表3所示。

（2）网关应用软件设计。网关应用是网关设备的核心，确保了LoRa数据的正确接收和传输。网关软件的主要功能是数据管理、LoRa数据传输、LoRa数据接收、网关配置、网关电源和LoRa数据转换，如表4所示。

3.2.2  LoRaWAN协议设计

LoRaWAN物联网系统主要包括：终端的数据源设备，包括各种类型的传感器以及GPS定位设备、正在传输的多个网关设备，以及连接到最后一个网关的上级机器。主通信过程是同步通信，在终端的数据源中的网关和上层网关之间，当接收到数据时，继续将数据发送到上层网关，直到到达与较高主机的最终连接网关。结合该网络的通信特性，协议设计主要包括网络节点访问设计、MAC命令设计与处理、MAC数据帧集等[5]。

（1）MAC数据的组帧设计。MAC层时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）时隙分配协议帧结构如图5所示。将一个时帧分为3部分，分别是静态时隙、重传时隙以及影子时隙。静态时隙为1-N号时隙，其中，N为网络中的终端节点个数;重传时隙分为3个部分，分别是1-I，1-J和1-K号重传时隙，且N=5·I，I=5·J，J=5·K，即静态时隙区域的时隙数目是区域[1，I]时隙数目的5倍，区域[1，J]时隙数目的25倍，区域[1，K]时隙数目的125倍。每个静态时隙或者重传时隙的后面都紧跟着一个相同的（时隙长度以及结构相同）影子时隙。

（2）MAC命令的设计及处理。以两种方式传递应用MAC命令，当fport不为零时，最多15个字节的fopts的都是MAC命令;当fport为零时，被置于frmayload帧加载中的MAC命令，此时它们必须在frmpayload中处理之前被解密。

4    结语

本文通过研究LoRa通信技术的原理及特点，并且基于开源LoRaWAN协议定义下的网关框架，提出了一套基于LoRa技术、物联网技术的解决方案，解决了当前物联网系统中高功率和网络带宽成本带来的一些问题。随着物联网技术的不断发展和进步，其功耗降低，尽管LoRaWAN物联网系统仍有一些问题需要改进，但它仍然对未来基于LoRa的物联网技术具有一定的参考价值，希望LoRa技术能够到位，未来将有更好的进步和发展。

[参考文献]

[1]GERSHENFELD N，KRIKORIAN R，COHEN D.The Internet of Things[J].Scientific American，2016（4）：76-81.

[2]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010（3）：1-9.

[3]张健.物联网通信技术的发展及其应用[J].电子技术与软件工程，2015（3）：46.

[4] RASHMI S S，YIQIAO W，SEUNG H H.A survey on LPWA technology：LoRa and NB-IoT[J].ICT Express，2017（1）：35-39.

[5]孙美玉.中国低功耗广域网络（LPWAN）发展及展望[N].通信产业报，2017-11-20（013）.

[6]LORA A.LoRaWAN specification，v1.0.2[EB/OL].（2017-06-10）[2019-09-10].https：//www.lora-allian ce. org/Contact.