基于LoRa物联网的智慧小区方案研究

庄树军

绪论

研究背景

随着物联网技术的快速发展，生活中随处可见的物联网技术正在向着万物互联的方向快速的发展，物联网的发展不单单体现在工业上的应用，那么在日常生活中也是给人们生活带来了很多的便利。智能家居、智慧城市、车联网等等一系列的技术概念走进了人们的日常生活。

本文主要研究基于LoRa协议在智慧小区建设方面的可行性以及实现方案。针对小区的所有情况进行组网实时监测，更大的节约了人力成本，同时也带给了人们更加舒适的生活环境，同时对于一些突发情况也能得到及时的响应和处理。通过主控芯片连接的烟雾传感器、红外报警传感器、火焰传感器分别部署在相应的位置，每户家庭单独设置路由器统一进行ID编号，然后进行数据处理，缓解小区内部LoRa网络的压力，同时对于信息的整理和分发更加准确，简单。每户将户内的信息整理后经过户内的路由器直接通过星型网络发送到物业的后台，物业的后台就可以实时监控每一户的安全情况和火灾情况。

以往物联网通讯采用了Zigbee无线通讯、WIFI、蓝牙或者GPRS等方式，那个上述通信方式有利有弊，LoRa技术的出现打破了以往物联网通信的难点，最终在经过评估后采用LoRa技术，通信距离长、灵活、低成本部署的优势以及功耗相对较低。

1 LoRa技术简单介绍

LoRa技术诞生于2013年，它是由一种新型芯片实现了基于1GHz以下的超长距离、低功耗的数据传输技术，与其他芯片相比，采用了线性的调频扩频调制技术，保持了频移键控的低功耗特性同时大大的增加了通信的距离，消除了干扰，LoRa最高接收灵敏度改善到20db以上，确保了网络的可靠性。所以在上述的基础上，LoRa技术的网关能够并行的处理多个节点的数据，扩展系统的容量。

LoRa主要由终端设备、网关、服务器以及云端四部分组成，可以实现数据的双向通信，同时LoRa运行在全球的免费频段，不需要进行授权。所以LoRa技术在物联网通信上面是非常不错的通信方案。

LoRa的特性如下：

1.传输距离：城镇可达2-5 Km，郊区可达15 Km。

2.工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MH等。

3.标准：IEEE 802.15.4g。

4.调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力。

5.容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

6.电池寿命：长达10年。

7.安全：AES128加密。

8.傳输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长。

2 LoRa协议分析

2.1 LoRa协议介绍

所有的LoRa设备都必须保持与Class A兼容，LoRa设备分为基本的Class A设备和可选的Class B、Class C功能。如图1所示：

Class-A设备：

A类设备是双向终端设备，允许双向通讯，每个终端的上行链路之后是两个短的下行链路接收窗口，终端设备可以根据自身的通信需求来调度传输时隙，同时随机时间在很小的范围内变化，对于需要在终端设备发送上行链路和从服务器进行下行链路的应用程序，A类设备是最低功耗的终端设备系统。同时所有的LoRaWAN的终端设备必须实现A类设备的功能。

Class-B设备：

B类设备允许更多的接收接口，除了A类设备的随机接收窗口外，B类设备还在计划时间内打开其他的接收窗口，为了保证在计划的时间内打开规定的接收窗口，那么B类设备需要从网关来进行时间的更新和接收时间同步的信号。

Class-C设备：

C类设备仅仅在发送的时候才会关闭接收窗口，因此C类设备会使用更多的电源进行操作，相比较与A、B类设备，C类的设备功耗相对较高，但是他们从服务器到终端设备进行通信的延迟是最低的。

结合实际项目需求，我们仅仅采用A类设备就可以完成我们所需要的功能。

2.2 LoRa协议MAC层分析

MAC层的协议是比较复杂的，所有LoRa上行链路和下行链路消息均是由一个八位字节的MAC标头（MHDR）开始，后跟一个MAC有效载荷（MACPayload）并以一个四字节的消息完整性代码（MIC）结束的。值得注意的是MAC负载最多59个字节，保证完整的数据包不超过64字节。

LoRa的MAC层分四种消息类型：加入请求、加入接受、未确认的消息和确认消息。加入请求和加入接受是OTAA空中接入过程中使用。数据消息是用来传输MAC控制数据和应用数据的，甚至有可能出现在同一个数据中。确认消息必须要无线接收端确认，而未确认信息不需要确认。

网络的管理可以在服务器和终端上的MAC层之间专门交换一组MAC命令。MAC层命令对于应用程序或终端程序永远是隐式的不可见的。单个数据帧可以包含MAC命令序列。FRMPayload发送的MAC命令是始终被加密的，同时要注意不能超过最大FRMPayload数据长度。MAC命令是1个八位的命令标识符和有可能为空的特定于命令的八位序列组合而成。

接收端是按照与发送命令相同的顺序应答或者确认MAC命令，包含答案的缓冲区必须在单个帧中发送的意思就是在单个帧中收到的MAC命令必须在单个帧中应答。同时服务器不允许在终端设备的单个上行链路中生成有可能无法应答的MAC命令。

2.3 LoRa协议物理层分析

物理层的消息分为两类：上行链路消息、下行链路消息。

上行链路消息：是从终端设备发送消息到一个或者是多个的网络中继器，上行链路消息的数据包格式如下表1：

上行消息使用LoRa无线电数据包显式模式，其中包括LoRa物理标头（PHDR）加上标头CRC（PHDR_CRC）。有效载荷的完整性受到CRC的保护。PHDR，PHDR_CRC和有效载荷CRC字段由无线电收发器插入。

下行链路消息：由服务器发送到终端设备，格式如表2：

下行消息使用无线电分组显式模式，其中包括LoRa物理标头（PHDR）和标头CRC（PHDR_CRC）。

終端设备在上行传输之后必须开启以传输结束的起始点作为开始时间的两个短暂的接收窗口。如果服务器想要发送一个下行信息到终端设备的前提是必须要准确的在两个接收窗口的起始点开始传输信号。如果一个下行信息在两个窗口都在传输，那么要保证每个窗口传输的帧格式必须相同。

第一接收窗口使用的数据速率和上行数据速率有关，同时使用的频率和上行频率也是是有关系的;但是第二接收窗口使用固定的可配置的频率和数据速率。但是果在一个接收窗口中检测到了前导码，直到下行帧被解调完毕之前，射频接收器都一直在保持工作。如果某一帧被检测到并且在随后的第一接收窗口被解调，且此帧的完整性、地址校验通过确认，那么终端设备是不允许打开第二个接收窗口的。

同时要注意的是如果前一次传输后在第一窗口或者第二窗口收到了来自服务器的消息或者前次传输后的第二接收窗口已经过期这两种情况出现，那么终端设备不能够传输另外的上行消息的。

3 方案设计

3.1 硬件电路设计

3.1.1 主控芯片的电路设计

室内终端设备的主控芯片采用STM32F103RCT6，Cortex-M3内核，主频可以达到72MHz，外设接口丰富，工作温度-40-85摄氏度;室内路由器主控芯片采用STM32F429BIT6，主频可以达到180MHz，2M字节Flash，256K字节的RAM，支持USB Host、Device接口等外设。外部采用8MHz的晶振，RTC采用32.768KHz的晶振。

室内终端设备电路框架图如图2所示：

室内路由器电路框架图如图3所示：

3.1.2 LoRa协议芯片的电路设计

LoRa协议模块采用美国Semtech公司的SX1276芯片，LoRa协议模块采用美国Semtech公司的SX1276芯片，最大168db、RF输出+20dbm-100mW、+14dbm高效PA、高达300kbps可编程速率、超高灵敏度：-148dbm、动态RSSI 127db。 SX1276的参考电路如下图4：

3.2 程序设计思路

为了减小网络的压力，每户单独配置路由器，室内的设备节点将信息发送到每户的路由器上面，由路由器统一进行发送到物业后台，物业可以通过每户的路由器ID确定当前用户是否存在危险警报，并及时做出相应的反应，可保证遇见危急情况实时处理。

SX1276初始化流程图如下图5所示：

接收模式流程如图6所示

发送模式流程图如图7所示：