基于LoRa的远距离数传系统的研究与设计

何鸣 HE Ming；胡文飞 HU Wen-fei

（①上海亚泰仪表有限公司，上海 201900；②温州职业技术学院，温州 325035）

0 引言

物联网时代，伴随着无线通信技术的快速发展，智能楼宇、智慧城市、智能家居以及无线抄表等网络技术迅速蔓延，物联网技术在人类日常工作、生活和学习中扮演着重要的角色[1]。在智能家居、智能楼宇等区域网通信场景中，常采用短距离通信技术，如WiFi、蓝牙、ZigBee等[2，3]。但在智慧城市、智能交通以及远距离户外网络等通信场景中，广范围、远距离成为首先考虑的条件。目前，典型的远距离通信技术有Cat1、Cat2、NB-IoT、LoRa等[4-7]。其中Cat通信设备使用运营商设备产生的4G网络进行传输，通常需要搭载SIM卡，会产生一定的资费，从而增加运营成本，并且在信号不佳的条件下无法使用。NB-IoT技术具有低功耗、覆盖能力强等优点，但是需要与运营商基站复用，实际应用过程中，在信号较差的场景下经常出现各类故障，从而导致通信中断。LoRa作为一种面向低功耗远距离应用场景的新兴无线通信技术，具有覆盖范围广、能耗低、可灵活组网、支持广播、定点模式等优点，能够很好地解决传输距离和系统功耗之间的平衡问题，克服复杂的应用场景及通信干扰所带来的诸多问题。目前，LoRa通信以自适应组网和较好的性能优势已广泛应用在智慧城市、智能交通、环境监测等领域[8]。

在智慧城市建设中，水循环系统的合理配分和节约水资源也是不容忽视的一个问题，传统城市建设中，园林绿化和农业水资源浪费严重，传统的灌溉系统由于设备陈旧和管理不当，浪费了大约30%的水资源，通过LoRa远距离数传系统接入智能灌溉系统，安装在土壤中的传感器经由LoRa系统接入智慧城市管理终端，通过分析土壤温度、湿度进行动态调节阀门进出水量，不仅可以节省大量宝贵的水、电资源还可以提高灌溉效率。图1为安装LoRa终端的智能灌溉系统示意图。

图1 智能灌溉示意图

1 LoRa调制技术原理

LoRa是基于线性调频扩频技术（CSS）的一种调制方案，通过产生频率线性变化的调制信号来实现频谱的扩展，并结合前向纠错（FEC）来实现远距离低功耗通信。此外，LoRa的调制方案还有效解决了无线通信系统中常见的多径衰落和多普勒频移，并且利用正交的扩频序列提高了信道容量。本文结合LoRa调制方案中的参数配置，分析了LoRa物理层通信的关键特点，并据此完成系统开发。

LoRa扩频技术也称为LoRa频谱扩展通信。使用较宽的信号带宽传输无线信号，并具有良好的对抗多径衰落和多普勒效应的能力，目前LoRa接收芯片接收灵敏度较高，甚至可以将一个比噪声低19.5dB的信号恢复出来，使用LoRa扩频技术可以进行低功耗远距离的通信。

扩频通信是以增大带宽或牺牲传输时延换取在低信噪比情况下接收数据的有效性和可靠性。一般分为直接序列扩频、跳频、跳时等。LoRa主要采用直接序列扩频和跳频相结合。直接扩频原理是将要发送的原始信息先进行信源编码、信道编码，其中在LoRa技术的信道编码中使用了前向纠错码，一般分为重复码、分组码、卷积码等。其基本思想是在发送端通过前向纠错码增加一段冗余信息，以便接收端接收到错误码元后通过前向纠错机制进行恢复，以降低误码率，提高系统传输的可靠性。

LoRa扩频技术采用多个码片将传输信息切分，其中符号速率和码片速率与扩频因子的关系可用公式表示。

在式（1）中，SF代表扩频因子，RC为码片速率，单位：chips/s，RS为符号速率，单位：symbols/s。

其中，又可知

所以有

在公式（3）中，Rb为调制比特率，BW为信号带宽。

码元传输时长Ts为：

采取跳频的原因是在数据量大的时候，可能单个数据包发送时间超出最大信道占用时常，在这种情况下，就可以采取跳频方式，将数据包切成单个码片，在多个信道上同时传输，接收机接收到切片数据后再进行恢复，从而完成一个数据包的发送和接收。该种方式计算量小，减轻系统负荷，与其他方式相比所占用的带宽较小。

带宽大小也是影响信号传输时间及灵敏度的一个重要因素，增大信号带宽可以有效的缩短数据传输时间，提高数据的传输速率，但同时会牺牲一定的灵敏度。相反，降低信号带宽可以获得灵敏度的显著改善，获得更好的通信质量及更远的通信距离。

从以上的分析及测试中可以得出以下结论：

LoRa数据包的空中传输时间随着带宽的增加而减少，但却随着扩频因子、编码率、负载长度以及前导码长度增加而增，数据的传输时间越长，信号的通信质量及灵敏度越高。所以在该种调制方式下相对于FSK、OOK等传统调制方式，其在保证较远的传输距离的同时是以牺牲传输速率为代价的。因此本系统在不同的应用场景中应该灵活的进行参数调整，从而在带宽、灵敏度以及数据的传输时间做出一个较好的平衡。

2 LoRa数传系统硬件设计与实现

2.1 系统整体概述

LoRa通信系统由于其独特的调制和扩频机制，可满足在低功耗、远距离、免布线等场合使用。本次开发的LoRa数传系统主要由主控模块、LoRa射频模块、上位机、PLC以及天线组成。其中主控模块和PLC使用RS485通信协议进行双向数据收发，主控模块与上位机通过TTL转USB进行LoRa设备的配置和进行距离测试。天线采用单极子433MHz纯铜振子天线，馈线长度50CM。如图2为整体系统框图。

图2 系统整体框图

2.2 MCU和LoRa射频芯片选型

为实现系统的可行性同时满足研发周期的限制，LoRa通信系统本次采用国产亿兆创新生产的GD32F103C8T6芯片，与ST公司的芯片相比，在价格上具有极大优势，此外，除少数定时器中断、DMA传输有差异外，其他外设基本兼容。这样在等代码开发方面非常方便，也间接地降低了开发周期，减少成本。

此外，LoRa射频芯片采用美国升特公司研发的专为低功耗、远距离开发的射频SX1276芯片。同一系列芯片还有SX1278、SX1212等。每种射频芯片都有独特的优势，表1从调制方式、工作频率、功率、传输距离四个方面对市场上常见的射频芯片进行对比分析。

由表1可知，上述几款芯片都是适用于低数据量窄带传输，在距离传输和功耗方面SX1276相比其他射频芯片有着显而易见的优势。

表1 射频芯片数据对比

2.3 硬件电路设计

2.3.1 电源电路设计

电源承担着整个系统的能量输入，该系统电源部分包括一级降压电路和二级降压电路。将电源适配器的5～36V宽电压直流通过SL2491降为5V直流，供板载一级电路使用。通过ASM1117线性稳压芯片将5V直流降低到3.3V供主控和部分电路使用。LoRa在发射状态下，会有1W的瞬时发射功率。

所以设计出一款满足整个系统峰值功耗的电源电路至关重要。同时电源设计应保证40%的电流余量，且保证纹波不超过200mV。图3为降压电路。

图3 降压电路

2.3.2 射频电路设计

射频电路设计是整个通信系统中的关键部分，影响着整个系统的稳定性和可靠性。所以该部分电路的设计要遵循科学合理的原则。图4为射频电路设计模块。

图4 射频电路设计

2.4 PCB整体设计和实物展示

经过PCB的设计与制作，最终电路板长度为2375mil，宽度3005mil，可使用导轨安装。仿真图如图5所示。

图5 LoRa数传系统仿真图

3 LoRa数传系统上位机软件设计

上位机采用Qt Company开发的跨平台图形界面程序，支持Windows系统、Linux、Unix系统使用。上位机界面清新简洁，且具有完善的功能，可通过上位机软件对LoRa系统进行寄存器配置、改变波特率、进行距离测试等功能。

上准备两台LoRa数传模块，上位机连接设备后打开距离测试板块，试该距离下丢包率，并根据实际场景判断该丢包率是否满足应用场景。

操作步骤如下所示：

①取消HEX显示，若未选则忽略；

②在模式选择中选择逐条发送或者循环发送（只能选择一项），负载数据中添加字符串，例如：“123456789”，点击开始测试按钮；

③测试结束后查看测试结果，通过一台设备的发送包数和另一台设备的接收包数计算丢包率。上位机软件配置说明如图6所示。

图6 设备界面配置

4 系统整体性能测试

在无线数传系统实现后，需要进行实地测试来检测所需要的功能是否能实现，下面本章将在实际应用环境中对本系统进行通信性能测试及功能模块测试。

4.1 LoRa数传系统功率测试

通过上位机软件对LORA模组进行配置，设定发射功率27dBm。配置后，使用Rohde&Schwarz公司生产的FSL18系列频谱仪进行采样，见图7。

图7 配置及测试结果

频谱仪实际测试发射功率为26.45dBm，经计算，能量传输效率达到97.96%，符合预期效果。另外LoRa模组可配置发射功率为21dBm，24dBm，27dBm，30dBm。测试方法类似，不再赘述。

4.2 LoRa数传系统丢包率测试

对两台LORA通信模块无线输传LoRa通信模块同时进行收丢包率测试。间距10米，每次传输10个字节。

测试界面如图8所示。LoRa通信模块A累计发送30550个包，累计传输305500字节。LoRa通信模块B收到30229个包，累计收到302290字节，丢包率为1.05%。LoRa通信模块B发送30560个包，累计发送305600字节，LoRa通信模块A收到30201包，累计收到302010字节，计算丢包率为1.17%。

图8 丢包率测试界面

4.3 LoRa数传系统距离测试

使用12V移动电源对LoRa数传模块进行供电。两个上位机软件将数据定时发送，大约1000次收发后停止发送，采集数据。

图9实测地图显示

图9 为哈尔滨市先锋路，测试长度4公里。

采集数据及丢包率见表2。

表2 距离测试丢包率

由表2的测试结果可知，在测试过程中，考虑到实际路况车流、桥梁路面坡度对LoRa数传系统距离和丢包率的影响，在发射功率30dBm下，丢包率10%左右，通信距离达到4千米，符合预期效果。

5 结论

相对于现有的短距离数据通信方式，LoRa网络在传输距离、功耗、实现成本和稳定性上都具有较大的优势，非常适用于远距离通信。本文开发的LoRa数传系统，通过对发射功率、传输距离、丢包率等指标进行测试，能量传输效率达到97.96%，4千米路况下误码率维持在10%左右。所有指标均符合项目需求和预期效果。此外，LoRa数传系统还设计了自动恢复功能，一般故障以及强干扰情况下可自动重启恢复通信，增加系统的鲁棒性和健壮性。基于LoRa的数传系统实现经济、高效、稳定的远距离通信，已在智慧园林灌溉中广泛使用。