LoRa 无线数据传输模块的设计与实现

资文彬 董楚楚 曹 康

1(桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院 桂林 541004)

2(中国科学院深圳先进技术研究院 深圳 518055)

1 引 言

物联网时代将会有海量的物体接入到网络中[1]。在传统的无线数据传输模块中，所用到的接入技术主要有 WiFi、蓝牙、ZigBee 和2G/3G/4G 等技术。但是，基于这些技术的无线数据传输模块都有一些缺点导致其并不适合应用于大规模物联网应用场景[2,3]。如基于 WiFi、蓝牙和 ZigBee 等技术的无线数据传输模块，其抗干扰能力差、传输距离近、功耗高等；基于2G/3G/4G 等技术的无线数据传输模块，其容量小、模块成本非常高等。事实上，在物联网时代，主要是物与物之间的通信，它和人与人的通信追求高速率高带宽、通信设备需要频繁充电的方式不一样，其特点是[4]：大量设备接入网络后仅需少量数据传输或数据传输频率很低；很多设备因其所处环境的特殊性和数量巨大，要求设备功耗低。在这种情况下，低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技术应运而生，它能够解决物联网应用中低功耗、低成本、广覆盖、大容量等方面的关键问题。因此，LPWAN 技术势必会在物联网市场中具有广阔的发展空间。其中，LoRa 是 SemTech 公司在2013年8月推出的一种 LPWAN 技术[5]，由于它在物联网市场中的良好表现而备受关注，成为目前物联网技术研究热点。LoRa 技术基于线性Chirp 扩频调制，具有高时间带宽积和宽频带，主要有以下 4个优点[6-8]：(1)极大地改善了接收灵敏度，降低了功耗；(2)抗干扰与抗多径衰落能力强；(3)基于该技术的网关支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大；(4)基于终端和网关的系统可以支持测距和定位。这些关键特征使得 LoRa 技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等领域应用。LoRa 技术与其他无线技术的特点对比如表 1所示。

现有研究 LoRa 技术的文献[6-14]仅从发射功率、接收灵敏度方面考虑了 LoRa 模块的性能，但忽略了功耗、天线、频偏等因素对模块性能的影响，因此模块性能没有达到理想效果。本文设计了一种基于 LoRa 技术的无线数据传输模块，通过该模块可以将各种各样的物联网设备接入到物联网中，从发射功率、接收灵敏度、天线、频偏等角度较为完整地分析了影响 LoRa 无线数据传输模块性能的要素并给出了详细的测试方案。实测结果表明，与现有 LoRa 无线数据传输模块相比，该模块具有功耗低、传输距离远、可靠性高等的优点，能够为 LoRa 技术在物联网中的应用提供更有效的解决方案。

2 硬件设计

LoRa 无线数据传输模块硬件主要由STM8L151、SX1276、电池模块、自研天线、ST-LINK、UART 和 I2C 等模块组成。其与仪器仪表、传感器等设备的连接结构示意图如图1所示。

表1 几种无线技术比较Table 1Comparison of several characteristics of wireless technology

LoRa 无线数据传输模块的微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)主控芯片STM8L151C8是 ST 意法半导体公司推出的基于STM8内核的超低功耗 8位微控制器，采用哈佛体系结构和三级流水线结构，最高 16MHz 工作频率，内置 64kB 大容量闪存、2kB 的 E2PROM以及 4kB 高速 RAM，能够满足物联网在性能上和存储空间上的应用要求，同时支持等待、低功耗运行、低功耗等待、活跃停机与停机 5种低功耗工作模式，方便低功耗设计[15]。硬件设计中，SX1276射频模块中的 SX1276收发器主要采用 LoRaTM远程调制解调器，使用 FEC 前向纠错编码，具有功耗低、数据传输距离远以及可靠性高、信号抗干扰性强和穿透性强、数据接收和发送稳定等特点[16]。LoRa 无线数据传输模块一般使用电池供电，本模块使用行业标准电池ER14505M 锂亚电池供电。鉴于 LoRa 无线数据传输模块安装时物理空间受限，使用实验室自主研发的弹簧天线。此外，模块提供 UART、I2C两种常用通信接口，用户选择时更灵活。

LoRa 无线数据传输模块主要完成仪器仪表、传感器等设备数据的采集，上报任务以及接收下发的指令，从而对仪器仪表、传感器等设备进行相应的控制。

图1 LoRa 无线数据传输模块结构示意图Fig.1Schematic diagram of the structure of LoRa wireless data transmission module

3 软件设计

LoRa 无线数据传输模块的软件在 Contiki 操作系统上运行。其中，Contiki 是一个针对硬件资源受限嵌入式平台的轻量级的、开源的、易于移植的多任务操作系统，运行时占用的内存空间不到 2kB[17]。它引入了很多新的特性，包括动态链接与装载，Coffee 文件系统，Rime/Chameleon通信协议栈以及对多线程的支持等[18]。Contiki系统运行原理示意图如图2所示，该操作系统以事件驱动机制为核心，确保了多任务在其上并发执行。

如图2所示，Contiki 系统启动后，系统首先调用 clock_init()函数初始化系统时钟，使用 process_init()完成进程初始化。然后，调用process_start(&etimer_process,null)启动系统进程，使用 autostart_start(autostart_processes)函数开启用户进程。其中，autostart_processes 是一种 process 类型的结构体指针数组，用来存放用户自定义进程模块。在本系统中，autostart_processes 存放了 radio_process 进程模块，该进程主要用于处理数据的发送与接收。最后，系统进入到一个 while 无限循环中，并不断地调用process_run()函数，查询是否有高优先级的进程：如果有，则先转去执行高优先级进程再处理事件，若无则直接转去处理新到达的事件。

图2 Contiki 系统运行原理示意图Fig.2Schematic diagram of Contiki system operation principle

4 模块测试与分析

为充分评估 LoRa 无线数据传输模块的性能，全面地测试了模块的关键参数，包括静态功耗、天线性能、频偏与发射功率、接收灵敏度、通信距离、传输可靠性和工作温度范围。测试对象为 2个 LoRa 无线数据传输模块。其中，一个模块设置为发射模式，记为模块 S；另外一个模块设置为接收模式，记为模块 R。测试时，模块并未连接仪器仪表或传感器，此时设置模块 S 与模块 R 的发射功率为 20dBm，射频中心频率为 433MHz。开启 LoRa 模式时，设置模块 S 与模块 R 的编码率(Coding Rate，CR)为4/5，带宽(Bandwidth，BW)为 125kHz，扩频因子(Spreading Factor，SF)为 12。开启 FSK 模式时，设置模块 S 与模块 R 的频偏为 0，数据率为1.2kbit/s，带宽(BW)为 50kHz。在测试中，默认开启 LoRa 模式，模块 S 发送完数据后即进入低功耗休眠状态，休眠 10s 后自动唤醒继续发送数据，模块 S 重复此过程；模块 R 则一直处活跃接收状态，接收到数据后输出到 UART 串口。最后对测试结果进行了分析论证，并给出了与现有LoRa 无线数据传输模块在关键性能上的对比。对比结果显示，本文模块性能优于现有方案。

4.1 静态功耗测试

静态功耗是评价 LoRa 无线数据传输模块的一个重要指标，它直接影响电池的使用寿命。本文设计了如图3所示的测试电路对模块 S 的静态功耗进行测试。测试时，首先使用容量为 3.6V/2200mAh 的锂亚电池给模块 S 供电；然后，在电路中串联一个多功能万用表测试模块S 发送数据后处于低功耗休眠状态时的电流；最后，万用测试结果表显示模块静态电流为 1.6μA，结果如图4所示。测试结果比 LoRa 模块静态电流 3.6V/2.5μA 的应用标准[13]降低了 0.9μA，符合实际应用要求。

图3 静态功耗测试电路Fig.3Static power test circuit

图4 静态功耗测试结果Fig.4Test result of static power

4.2 天线性能测试

天线是远距离无线数据传输模块的一个非常重要的部件，因此对天线的配置要求较高。普通天线的性能难以满足实际需求，且针对不同的无线数据传输模块、不同的应用，由于需要不同的匹配电路，天线要求也不同，故需要设计一款高性能的天线。通过大量反复的调试，我们自主研发了一款适合本研究 LoRa 无线数据传输模块的弹簧天线。用矢量网络分析仪对安装在模块 S 的自研弹簧天线进行测试，实测其性能如图5所示。该天线中心频率为 433MHz，功率信号衰减标识 S11系数为－12dB，小于－10dB 的标准。天线性能测试结果表明，信号反射功率仅为6%，94% 的能量都被发射到空中，从而极大地增加了信号的传输距离，能够很好地满足应用需求。

图5 天线性能图Fig.5Antenna performance diagram

4.3 频率偏移与发射功率测试

LoRaTM是扩频调制模式，故在 FSK 模式下测试频偏与发射功率更接近实际值。用频谱分析仪测试模块 S 的频偏与发射功率时，模块S 开启 FSK 模式，设置频谱分析仪的扫频宽度(SPAN)为 5MHz，分析带宽(RBW)为 47kHz，显示带宽(VBW)为 470kHz，并设置为跟踪功率最大值。实测模块 S 的频偏与发射功率如图6所示，射频中心频点为 433.003MHz，故频偏为3kHz。在误差范围 1～5kHz 内，发射功率为20.044dBm，接近理论值 20dBm，频偏和功率性能都比较好。

图6 频偏与功率测试结果Fig.6Frequency offset and power test results

4.4 接收灵敏度测试

测试时，用模块 R 连接信号发生器，并选择使用与模块 R 的参数设置保持一致的 LoRa波形输出文件。设置信号发生器的输出波形频率为 433MHz，Level 值为－136.9dBm，信号发生器设置界面如图7所示。用示波器测量模块 R 的串口输出引脚波形，跟踪测试 10min，测试结果如图8所示。测试全程波形正常稳定，无丢包、无误码，故模块 R 的接收灵敏度小于－136.9dBm。Semtech 官方资料显示，当带宽(BW)设置为 125kHz、编码率(CR)设置为 4/5、扩频因子(SF)设置为 6～12时，接收机灵敏度典型值如图9所示。其中，红色圈圈标出当扩频因子为 12时，接收机灵敏度典型值为－137dBm。通过以上分析，在与原厂 LoRa 模块参数配置相同的情况下，实测模块 R 接收灵敏度为－136.9dBm，与原厂提供的灵敏度典型值非常接近，符合 LoRa 模块对接收灵敏度的设计要求。

图7 信号发生器设置界面Fig.7Signal generator setting interface

图8 串口输出波形图Fig.8Serial output waveform diagram

图9 接收机灵敏度几种典型值Fig.9Several typical values of receiver sensitivity

4.5 通信距离测试

LoRa 无线数据传输模块的传输距离对其在物联网的应用中有着十分重要的意义。本文选择在广东虎门大桥附近的水域对模块通信距离进行点对点的外场测试。如图10所示，在 A、B、C、D 四个地点进行点对点收发测试。其中，模块 S 置于 A 地离地面约 2m 的位置，模块 R 先后置于 B、C、D 地离地面同样高度的位置，实测A 和 B 相距 2.9km，通信成功率为 100%，信号强度(RSSI)为－56dBm；A 与 C 相距 3.7km，通信成功率为 100%，信号强度为－81dBm；A 与D 相距 4.9km，通信成功率为 98%，信号强度为－92dBm。测试结果表明，LoRa 无线数据传输模块的通信距离能够满足物联网应用的需求[19]。

4.6 传输可靠性测试

图10 LoRa 通信距离测试图Fig.10LoRa communication distance test chart

图11 接收模块位置分布示意图Fig.11The position distribution chart of the receiving module

测试地点为深圳南山崇文花园小区，该小区房屋密集且楼层普遍在 30层以上，符合实际应用场景。测试时，模块 S 置于中国科学院深圳先进技术研究院 C 栋 3楼阳台离地面约 1m 的位置，模块 R 通过串口与平板电脑连接，并通过平板电脑上的串口调试助手打印接收到的数据。手持平板电脑先后到达测试点 1～10位置进行收发测试，测试点位置分布如图11所示。实测测试点 1～10距离模块 S 的距离分别为 287m、294m、398m、454m、504m、540m、483m、554m、560m 和 471m。测试时，模块 R 每次在一个测试点接收 100组数据，共测试 10次，用串口调试助手统计接收结果。根据测试结果，发送模块在以上各个测试点的发送数据平均成功率依次为 100%、100%、100%、100%、100%、100%、100%、99.8%、99.8% 和 100%。实验结果表明，模块信号穿透力强、传输距离远、可靠性高。

4.7 高低温测试

测试时，将模块 S 放置在高低温交变试验箱内部离地面约 1m 的位置上，模块 R 通过串口与平板电脑连接，并通过平板电脑上的串口调试助手打印接收到的数据。其中，平板电脑放置在离高低温交变试验箱约 1m 的桌上(距地高度约 1m)。根据LoRa 芯片 SX1276的参考手册，其工作温度范围为－40～85℃，据此选取 5个具有代表性的温度值并设置试验箱参数，然后启动高低温交变箱对 LoRa 模块 S 进行测试。通过串口调试助手记录测试结果，具体结果如表 2所示。表 2结果表明，LoRa 无线数据传输模块能在理论标准温度范围内正常收发数据，符合设计要求。

表2 高低温测试结果Table 2High and low temperature test results

4.8 结果分析

测试结果中，模块的频偏、发射功率、接收灵敏度和工作温度与官方的理论值一致，在休眠功耗、数据传输距离和可靠性方面与现有的基于LoRa 技术的无线数据传输模块相比都有改进，达到了预期的效果。从现有的基于 LoRa 技术的无线模块中选取几种做比较，性能对比结果如表 3所示。本文方案与赵太飞等[12]、罗贵英[13]和 Bor 等[14]方案相比，在静态电流、数据传输距离和丢包率上均有明显的改善。其中，本文方案与罗贵英[13]方案在静态电流和数据传输距离比较接近，但平均丢包率较后者更低；本文方案与 Bor 等[14]方案在通信距离与丢包率上大体一致，但静态电流更低。

表3 几种 LoRa 无线传输模块性能比较Table 3Performance comparison of several LoRa wireless transmission modules

本文在设计硬件上采用 STM8L151、SX1276超低功耗芯片，软件上通过配置主芯片STM8L151的 GPIO 引脚工作方式、裁剪不必要的功能，同时，让主芯片进入 halt 模式、射频芯片进入 sleep 模式，有效地降低了模块的功耗。通过反复地调试、不断地测试，设计了一款高性能天线，增加了模块的通信距离。其中，模块采用性能较好的温补晶振，频率漂移小、误差低，降低了模块的频偏。在射频输出电路上增加了功放部分，从而提高了发射功率，增大了模块的传输距离。通过不断调节射频接收电路上电容、电感、电阻匹配值，找到了较好的匹配方案，提高了模块的接收灵敏度。此外，PCB 板材采用FR-4材料，增强了模块的耐寒与耐高温性能，提高了电路的稳定性。本文在硬件与软件各个环节上，综合全面地考虑了影响模块性能的要素并找到了有效的解决方案，与现有 LoRa 模块相比，提高了模块的性能，不足之处是模块成本偏高。

5 结束语

本文设计了一种基于 LoRa 技术的无线数据传输模块，为物联网应用市场提供了一种可靠、高效的解决方案。采用 STM8L151作为主控芯片，SX1276作为射频芯片，降低了系统的功耗，提高了信号的传输距离，增强了系统的抗干扰能力，提升了系统的可靠性，具有良好的开发性和使用价值，应用前景较好。但与基于 LoRa技术的物联网无线数据传输模块售价 5美元的标准相比，在价格上有一定的劣势。在未来的工作中，我们将在确保模块良好性能的基础上，进一步降低模块的成本。

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