面向LoRa的物联网平台研究

朱庆华+景妮琴+常莹

摘要：该文面向LoRa的物联网平台，将平台分解为用户节点终端、LoRa网关、LoRa服务器、管理平台四个模块。其中，传感器和传输节点之间通过串口通信传输数据，节点接收数据之后通过LoRa调制方式发送给网关，服务器为所用设备公司提供的远程服务器，在PC端编写数据读取窗口读取服务器上接收的网关数据。最后对LoRa物联网平台进行了功能测试和性能测试。

关键词：物联网；LoRa；短距离通信

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）01-0075-03

1 概述

1.1 技术的提出

2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的，基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术（简称LoRa）的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，LoRa是由升特公司（Semtech）发布的一种专用于无线电调制解调的技术，它与其他如FSK（频移键控）、GMSK（高斯最小频移键控）、BPSK（二进制相移键控）及其派生的调制方案形成竞争关系。

LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

1.2LoRa技术优势

LoRa技术最突出的两个优点就是长距离和低功耗。

LoRa技术的第一个优点就是传输距离长。在郊区环境下，LoRa技术的传输距离可以达到10～15km；在城市环境下，传输距离也能达到3～5km。这样的传输距离相比Wi-Fi、2G、3G、4G等要远很多。LoRa技术能有这么远的传输距离，得益于它工作的频率范围比较低，频率低的信号波长较大，在城市中众多建筑包围之下产生的衰落就比较小，所以传输距离远。

LoRa技术另一个优点就是低功耗。LoRa技术之所以能够低功耗，首先是因为其发射频率低，信号波长比较长，在传播过程中所产生的衰落比较小，因而可以采用低功率发射；其次，LoRa采用扩频技术，能使信号的抗多径、抗衰落能力比较强，所以对发射功率的要求不高；最后，为达到省电的目的， 业界广泛应用WOR（Wake on Radio） 方式—芯片周期性地进入接收模式以判断有没有唤醒信号（比如前导），其他时间处于Sleep模式，通过对比，采用WOR方式可以使电池寿命相比功耗同样不高的FSK调制提高3倍以上。

1.3 LoRa WAN1.0

LoRaWAN1.0是有LoRa联盟提出的LoRa技术规范，它定义了LoRa网络的通信协议和系统结构。通信协议和系统结构对LoRa网络的节点电池寿命、网络容量、服务质量、安全性和服务的多样性有着重要影响。

如图1所示，LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明的中继，连接前端终端设备和后端中央服务器。网关与服务器通过标准IP连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。

LoRaWAN的终端设备服务于不同的应用，有着不同的要求。为了优化各类终端应用程序配置文件，LoRaWAN利用不同的设备类权衡网络下行通信延迟与电池寿命。在控制或执行器类型的应用程序，所述下行链路通信延迟是一个重要的因素。

2 面向LoRa的物联网平台设计

2.1 设计原则

物联网平台的设计应该支持多种业务需求，既要满足不同业务的共性需求，同时又能够支持不同业务的个性化需求。除此之外，平台的系统设计还应该遵循以下几个原则：安全性原则、实用性原则、标准性原则和可扩充性原则。

2.2 面向LoRa的物联网平台网络结构

如图2所示，整个LoRa物联网平台分为用户节点终端、LoRa网关、LoRa服务器、管理平台四个模块。其中，用户节点终端由测试节点与数据采集传感器相连接，用户节点终端部署在教学楼、学生公寓及行政楼等分散的多个位置，采用星型网络布局；LoRa网关放在网络中心机房内，用于接收测试节点发送的数据并转发至服务器；LoRa服务器采用设备商提供的远程云服务器；管理平台通过登录远程云服务器获取LoRa网关的数据，并能通过平臺向节点发送消息。

3 面向LoRa的物联网平台实现

平台实现的用户终端模块由检测仪、测试节点和移动电源组成，用于测试LoRa网络覆盖质量，传输温度、湿度和空气质量数据，同时，用户也可以通过检测仪了解到节点位置的温度、湿度和空气质量情况。

3.1 检测仪

检测仪上的各个传感器都是通过串口通信传输数据，因而整个检测仪的数据采用串口方式传输，采用TTL-USB接口将检测仪连接到PC端，通过PC端的串口调试软件测试数据传输是否正常。根据检测仪的说明书，检测仪上传的数据间隔为1秒，波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验位。

测试结果从串口调试软件串口数据接收获取，根据读取的数据，计算如下：温度=28.0℃；湿度=31RH%；PM2.5=0μg/m3；PM10=0μg/m3；计算结果与检测仪屏幕显示结果完全相符。测试结果说明检测仪串口数据上传没有问题。

3.2 测试节点

测试节点为基于LoRa物联网平台中的重要部分，它的主要功能有：通过串口与检测仪通信；OLED显示屏，可根据需要显示数据；通过编程中的逻辑修改，实现LoRaMAC、PHYMAC、低功耗三个模式直接的切换；向LoRa网关发送上行数据；接收LoRa网关的下行数据；测试LoRa网络覆盖质量。

节点编程实现：

1） 串口驱动程序

其中核心代码如下：endprint

串口初始化函数：void UART_Init（void）

该函数的作用为初始化串口设置，在对测试节点进行烧写编程时对串口的波特率、数据位数、有无停止位、有无校验位等参数进行设置，若想修改这些参数，需要对测试节点进行重新烧写。根据检测仪的串口参数需求，编写代码：

UartHandle.Instance = USARTx；

UartHandle.Init.BaudRate = 9600；

UartHandle.Init.WordLength = UART_WordLENGTH_8B；

UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1；

UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE；

UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE；

UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX；

串口发送函数的关键语句为：

uint16_t i = 0 ；

for（i = 0；i

{ USART1→TDR = （uint8_t）（str[i]）；

while（ HAL_USART_GET_FLAG（USART1，UART_FLAG_TC）== RESET）；}

2） 屏幕驱动程序

其中的核心函数如下：

void OLED_Init（void）

此函数为OLED的初始化函数，用于配置OLED引脚，设置对比度、扫描方向、亮度的参数。若想对OLED的基本参数进行改动，需修改此函数中的内容并重新烧写。

void OLED_DrawPoint（u8 x，u8 y，u8 t）

void OLED_ShowChar（u8 x，u8 y，u8 chr，u8 size，u8 mode） //单个字符显示

此函数的功能为控制OLED显示屏在（x，y）坐標的位置显示一个字符。核心代码如下：

for（t=0；t

{ if（size==12）temp=asc2_1206[chr][t]； // Font 1206

else if（size==16）temp=asc2_1608[chr][t]； // Font 1206

else if（size==24）temp=asc2_2412[chr][t]； // Font 1206

else return； //Not word stock

for（t1=0；t1<8；t1++）

{ if（temp&0x80）OLED_DrawPoint（x，y，mode）；

else OLED_DrawPoint（x，y，！mode）；

temp<<=1；

y++；

if（（y-y0）==size）

{ y=y0；

x++；

break；}}

void OLED_ShowString（u8 x，u8 y，const u8 *p，u8 size） //显示需要的数据

{ while（（*p<='～'）&&（*p>=' '）） //Determine whether illegal

{ if（x>（128-（size/2）））{x=0；y+=size；}

if（y>（64-size））{y=x=0；OLED_Clear（）；}

OLED_ShowChar（x，y，*p，size，1）；

x+=size/2；

p++；} }

3） LoRa频点、信道设置

测试节点支持LoRaMAC工作模式，LoRaMAC工作模式又分为LoRa调制和FSK调制两种，本次所建的LoRa物联网平台采用LoRa调制。实现LoRaMAC工作模式设置的程序写在app_oasl.c文件中，其核心代码如下：

//设置LoRaMAC工作模式（LoRa调制）

//设置信道1

g_macData.channels[0].Frequency = 779500000；//频点

//速率范围：（（最高速率<<4丨最低速率））

g_macData.channels[0].DrRange.Value = （ （ DR_5 << 4 ） | DR_0 ）；

g_macData.channels[0].Band = 0；

4） 串口数据读取

串口数据读取的程序语句如下：

switch（step）

{ case 0：

if（ch == 0xFF）

{ step++；

uart1_Rxcount= 0；

memset（uart1_rxBuf，0，80）；//????????

uart1_rxBuf[uart1_Rxcount] = ch；

uart1_Rxcount++；}

break；

case 1：

uart1_rxBuf[uart1_Rxcount++] = ch；

if（uart1_rxBuf[8]==0x79）//跳过无用帧

step=0；

if（uart1_Rxcount==12）

……

for（uint8_t i=0；i<13；i++）

{ sprintf（（char*）temp_buf+len，"%X"，uart1_rxBuf[i]）；//bandwidth

len=strlen（（char*）temp_buf）；}

OLED_ShowString（0，24，（u8*）temp_buf，12）；

OLED_Refresh_Gram（）；

5） 串口数据发送

串口数据读取完毕后，调用osal_set_event函数启动发包程序。由于检测仪上传串口数据的频率固定为1秒1帧，而测试节点采用LoRa模式发送数据的频率远远低于检测仪上传串口数据的频率。为保证测试节点不出现死机的情况，设置为可以丢包但是不会死机的工作模式，以保证测试节点正常工作。

3.3 用户节点终端模块整体测试

用户节点终端模块由检测仪和测试节点组成，在完成对检测仪和测试节点的编程、调试工作后，需对用户节点终端模块整体进行测试。

将测试节点上的4PIN串口数据线按照GND-GND，5V-5V，TX-RX，RX-TX的顺序连接。串口数据线连接完成后，将移动电源的Micro-USB口连接至检测仪，打开移动电源和检测仪的开关，测试节点已经正确地读取到了检测仪上传的串口数据。由此可得，用户节点终端模块工作正常。

3.4 LoRa 网关

为了方便管理和调试LoRa网关，网关上设有USB-B型接口，通过使用USB打印线可以将网关和PC相连接。PC终端与LoRa网关连接成功后，首先在PC 终端的设备管理器中查询到PC终端与LoRa网关连接的串口号。连接后采用的调试软件为Putty。设置相应参数进行连接管理。

常用指令gw info显示LoRa网关的基本信息，包括ID，DTU版本，GWM 版本（硬件/軟件），地理位置信息。指令gw ip显示LoRa网关的IP 信息，包括网络连接类型，IP 地址，子网掩码，默认网关。指令gw ping测试LoRa网关与服务器的连接情况。

3.5 LoRa服务器

基于LoRa的物联网平台使用的远程云服务器主要功能有：实现中心网管平台功能；实现LoRaWAN MAC部分；负责Gateway网关及配置工作，Mote配置及OTA与应用服务器数据交互。

3.6 管理平台

管理平台对网络中各个用户的节点终端进行管理。面向LoRa物联网网络的需求，管理平台具有以下功能：

1） 服务器安全验证

管理平台所有功能的前提是登录LoRa远程云服务器，为保证数据安全，管理平台登录服务器时应验证登录信息并反馈。根据上一节内容，CS需要间隔60秒向AS发送登录信息，这样就确保了信息的安全。

2） 测试节点管理功能

管理平台中应当对所有通过LoRa网关接入服务器的测试节点进行列表管理。通过选中测试节点，可以实现查看测试节点所发数据、向测试节点发送数据的功能。为了测试LoRa网络的覆盖质量，测试节点在发送数据时会将频点、带宽、码率等信息一起发送到LoRa网关。服务器也应该具有读取这些数据的功能，以方便和用户节点终端进行对比，进而检测LoRa网络的覆盖质量。

3） 对测试节点所发数据的处理功能

测试节点所携带的有效数据，根据上文所述，是一串HEX编码的十六进制数据帧。为了更直观地在管理平台展示温度、湿度和空气质量这些数据，管理平台需要对数据帧进行处理。通过上文所述的计算方法，管理平台可以正确地显示实际的数据。

4） 根据测试节点ID进行筛选

由于一个LoRa服务器可以接入很多的LoRa网关，一个网关又支持上千个测试节点接入，所以在服务器端会有很多的测试节点。服务器辨别各个测试节点的依据就是每个测试节点独一无二的ID，根据测试节点ID选择某个位置的测试节点比较繁琐。为了解决这个问题，管理平台应该具有根据节点ID进行筛选的功能，方便管理员通过按钮直接访问特定的测试节点。

4 结束语

本文进行了LoRa物联网平台的需求分析，针对需求，对物理网平台进行了总体设计，将平台分解为用户节点终端、LoRa网关、LoRa服务器、管理平台四个模块。其中，传感器和传输节点之间通过串口通信传输数据，节点接收数据之后通过LoRa调制方式发送给网关，服务器为所用设备公司提供的远程服务器，在PC端编写数据读取窗口读取服务器上接收的网关数据。

参考文献：

[1] 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（5）.

[2] 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）.

[3] 胡江波，颜欢. 基于物联网的无线传感网络平台[J]. 电脑知识与技术，2015，11（6）.

[4] 夏莹莹，刘琛，邵震. LPWA，物联网产业发展的新机遇[J]. 通信企业管理，2015（10）.endprint