浅谈基于智能手机的LoRa无线传输研究

赵伟宏

（云南农业大学建筑工程学院，云南昆明，650100）

0 前言

随着现代社会的发展，各界对于物联网的接入需求也在不断提升，而为了对这种社会发展需求加以满足，布置简单、覆盖范围广、支持海量接入以及成本投入低的广域网技术得到了快速的发展，对此类技术进行应用，能够为较大范围内海量设备的互联互通提供支持。也正因如此，该项技术在近些年当中成为了相关领域研究的重点内容，其中LoRa 技术作为主流的广域网技术，具有较为广阔的应用前景，而针对以智能手机为基础的LoRa 无线传输系统进行研究，能够为相关领域的发展开拓新的方向，这对于各领域的现代化发展具有非常重要的意义。

1 浅析LoRa 无线传输

从物理层面上来看，LoRa 技术对啁啾扩频（CSS）的私有物理层技术进行了应用，借助该项技术，可以将无线信号传输期间的多径效应有效降低。在早期阶段，CSS 技术主要在航天领域和军事领域进行应用，其能够在较大的距离中实现可靠性通信。LoRa 是其在大规模商用组网当中的首次应用。LoRa 除了传输距离远、可靠性高以外，在无线传输方面也具有较高的灵敏度，其灵敏度至少能够保证在130dBm 以上。而通常情况下，LoRa 无线传输在组网当中主要对星型拓扑结构进行应用，且在一个LoRaWAN 当中涉及到数以百万的节点，可以防止复杂多跳组网的出现。

但由于无线传感器网络通常会在室外应用，运行环境较为恶劣，所以其无线传输效果往往会受到巨大的影响，特别是降雨天气，对于LoRa 无线传输质量的影响最为明显。另外，在工厂厂区以及智能楼宇等环境中，由于设备干扰因素的存在，也会是传输效果受到一定的影响。而为了向LoRa网络的设计者提供相应的参考依据，需要对相关设备进行使用，测量LoRa 在相关环境中的传输效能，进而获得更多的参考数据。由于LoRa 无线传输网络容易受到诸多因素的影响，所以无法长期使用造价太高的设备进行测试，也不能以商业基站为基础对传输效能数据进行实时的获取。而随着智能手机的飞速发展，其在测试领域的应用越来越广泛，由于智能手机的通信及运算能力较强，其用户UI 较为友好，能够为相关测试工作提供诸多辅助功能。因此，文章提出了以智能手机为基础的LoRa 无线传输测试系统。

2 系统架构

由于在对LoRa 无线传输网络进行组网时，需要以星型拓扑结构为基础，所以，在测试其传输效能的过程中，可以借助点对点传输效能进行观测。但由于LoRa 技术属于私有技术，所以无法确定相应的技术细节。而对于无线传感器网络来说，其核心功能在于：能够对数据进行可靠的传输，因此，系统将数据传输成功率当做衡量传输效果的重要依据。而成功接收则代表接收内容与发送内容未发生改变。另外，系统主要应用了Android 智能手机，其中安装了相应的App，在与相关配套测试节点进行联合应用以后，实现了系统功能的有效发挥。系统结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

3 智能手机端APP 设计

在本系统当中，智能手机是最为核心的内容，其功能主要是借助测试App 来实现的，而测试App 涉及到测试功能管理模块、NFC 标签管理模块、BLE 连接模块、定位模块、用户UI 模块、网络通信模块以及数据存储模块等诸多模块。测试用智能手机端APP 结构图如图2 所示，其中第一，测试管理模块在该App 当中的主要作用是：LoRa 负载、测试参数记录、测试过程同步、触发信号管理以及管理用户设定等。第二，通过NFC 标签管理模块，智能手机可以对储存在节点NFC 标签中的相关内容进行获取，包括蓝牙连接信息以及节点ID 等。第三，BLE 连接模块则负责对连接节点和智能手机间的蓝牙连接进行建立和管理。第四，定位模块能够利用智能手机中的高德地图或者是百度接口对节点的位置进行获取；第五，网络通信模块主要在测试期间对从智能手机当中通过的数据进行管理。在完成一次测试工作以后，利用App 的数据存储模块可以将测试结果记录在手机的存储空间当中，为后续应用提供支持。第六，用户UI 模块能够为用户提供相应的操作界面，用户在使用期间只需要将智能手机与靠近节点的NFC 标签贴近，就能够与节点进行连接。并且可以根据测试要求对相关参数进行设置并开展测试工作。在完成测试操作以后，相关结果会向用户进行反馈，并记录下来。如果需要长时间的进行测试，则用户可以对自动测试模式进行应用，将手机设置在相应的节点上，即可对数据进行自动的接收与发送。

图2 测试用智能手机端APP 结构图

4 测试节点设计

因为在本系统当中，很多功能都需要由智能手机作为载体，因此，在测试节点设计方面具有一定的精简性。在节点当中，可以结合实际对微控制器进行应用，并将其作为节点的重要组成部分。与此同时，节点当中涉及到RN4020蓝牙模块以及BLE 模块，且模块在发送成功率方面能够达到7dBm,在接收灵敏度方面则可以达到-92.5dBm,也正是由于其具有较高的发送功率和接收灵敏度，使得其完全能够保证智能手机和节点间通信的可靠性。而且在节点附近进行NFC 芯片的设置，还可以将蓝牙连接信息以及节点ID 写入其中。另外，对相关电源模块进行应用，可以实现节点的可靠供电。通过对衰减器、天线以及LoRa 通信测试模块的结合应用，可以使节点在特定区间当中使用任意LoRa 发射功率［1］。如果用户对于功率要求相对较高，则可以对LoRa测试模块进行适当的调整，以此来满足用户在发射功率方面的要求。节点通常会在PVC 管状容器当中进行封存，用户可以利用顶部旋开口完成相关操作，例如节点维护以及节点升级等。而具体的节点测试流程如图3 所示。

图3 节点测试工作流程图

5 测试结果及讨论

对于无线传感器网络，在对其进行设计、安装以及维护的过程中，需要对海量的测试数据进行应用，且这些数据必须要以数据传输作为中心。该系统设计和应用的主要目的是为了对较长时间周期当中分布的数据进行获取，并在特定情况下完成相应的测试工作。在测试期间，相关人员对测试场地进行了选择，使用两个测试场地对楼宇间的LoRa无线传输进行实验。在实验期间，需要将节点功率设置成20dBm。而天线增益则可以设置为3dB，应用的手机可以是华为Mate2。在测试过程中，需要将各节点设置在较高的位置。例如，在对场地1 进行测试的过程中，通过App可以对节点间距进行读取，具体为523m，而对场地2 进行测试期间，通过App 可测得节点间距是557m。

针对该系统的运行情况，工作人员进行了相应的测试，通过测试可以确定，LoRa 在楼宇间的无线传输确实会受到恶劣天气的影响，特别是降雨天气是影响传输质量的主要因素。根据系统获得的数据对每个月平均的数据传输成功率进行统计，可以发现，在降水较少的情况下，场地1 的月平均数据传输成功率具有较高的分布下限。但在进入夏季以后，由于场地1 当中的降水增多，其月平均数据传输成功率会出现分布下限降低的情况。而在场地2 的测试过程中，由于场地2 所在区域降水相对较多，因此，其每个月平均的数据传输成功率存在分布下限较低的现象，而且在降雨较大的情况下，LoRa 无线传输还会出现无法完成的问题，这里的传输无法完成指的是传输中断。也就是在128 秒以内，LoRa 数据包不能正常发送，反之，传输恢复就是在128 秒当中，LoRa 数据能够完成传输，且没有数据丢失的情况。而对本文的系统进行应用，能够确定因为降雨造成传输中断的具体时间，这些数据信息的记录主要是由从节点来实现的，在完成记录以后，会与主节点进行交互。而具体的传输中断次数及传输中断时长如图4 所示。根据图4 可以发现，在场地2 当中，由于降雨造成的传输中断问题，不管是出现的概率，还是中断的时间，都要比雨水较少的场地1 多很多，甚至有时会出现连续数小时中断的情况，而由于场地1 所在区域以阵雨居多，所以在长期传输的情况下，并不会产生太大的影响。而利用类似的数据采集方式，获得的测试结果能够帮助相关人员对LoRa 无线传输方面的管理机制进行科学的编制，包括数据采集机制、技术人员轮询机制以及缓存机制等等。

图4 数据传输中断次数和时长

根据以往的相关研究发现，无线传输距离通常会受农业环境中作物生长情况的影响，而在上述测试当中也验证了这一点，如图5 所示为测试结果，当作物生长周期不同的情况下，LoRa 无线传输在可靠传输距离方面也会出现相应的变化，这主要是因为传输距离会受到植物枝干以及冠层等因素的影响，并出现缩短的情况，因此，相关领域的工作人员在针对智慧农业进行LoRa 无线传输网络设计的过程中，还应该将植物种植方面的相关数据纳入其中，使系统的设计能够更加科学、可靠。

图5 测试结果图

6 结论

综上所述，文章提出了一种以智能手机为基础的LoRa 无线传输效能测试系统，其主要是由智能手机和相关的测试节点构成，具有成本投入低、结构简单、便捷实用等诸多优点，能够对长时间周期中的分散数据进行有效的获取。而且在完成系统设计以后，相关人员在智能楼宇以及智慧农业等场景当中进行了相应的测试活动，通过测试可以确定，与现有WiFi 以及蓝牙等无线传输网络相比，LoRa 无线传输具有更高的传输效能。但其应用效果容易受到所在区域环境的影响。尽管如此，应用该系统结合数据传输成功率等测量指标，仍然可以对与环境相关的各项数据进行获取，所以，该系统对于相关领域的发展具有很大的参考价值，因此，相关领域对于该系统一定要保持高度的重视，要结合实际对其进行深入的研究，使其能够在现代社会发展中发挥更大的作用。