一种基于LoRaWAN的高扩频因子信道规划在智能灌溉系统中应用

李 艳，徐运武

（广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126）

0 引 言

随着物联网的快速发展，低功耗广域网（LPWAN）的地位愈发重要。当前大部分无线系统为实现低功耗调制大都使用频移键控调制方式，而LoRa采用线性调频扩频调制方式，使得在延长通信距离的同时保持FSK调制的低功耗特性。LoRa基于1 GHz以下超长距离、低功耗性能通信，较sub-GHz在通信距离上有非常大的优势；同时，LoRa技术具有很高的接收灵敏度与较强的信噪比，提高了抗干扰能力。

LoRa以独有的扩频技术，使得不同扩频序列即使使用相同频率同时发送也不会出现冲突。随着国内LoRa联盟的成立，LoRaWAN在国内有了很大的推广。但LoRaWAN在实际使用中网关并未真正体现多节点并发性能，特别是终端设备工作在高扩频因子、发送数据大小接近满帧数据时网关丢包率高。造成丢包的原因在于扩频因子数越高，网关接收数据硬件解调制需要的时间就越长，此时如果有其他设备同时在发送数据，网关无法接收当前数据导致丢包率较高。

市面上解决多设备通信冲突机制问题，主要采用ALOHA技术，但该模式在扩频因子数较高的情况下仍然无法解决高丢包率的问题，无法满足使用需求；加之修改开发网关协议对大部分人而言极其困难，且开发周期长，因此需要在终端设备添加基于LoRaWAN的高扩频因子信道规划机制。

1 项目设计框架

本系统运用目前发展迅猛的新通信技术—低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN），是低带宽、低功耗、远距离、大连接的物联网应用。在LPWAN技术出现之前，通常远距离和低功耗特性只能取其一。LPWAN技术出现后，除实现更长距离通信和超低功耗外，还可以节省额外的中继器成本。LoRa是LPWAN通信技术中极具代表性的技术，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，这种传输方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供了一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等。LoRa 网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、服务器和云组成，应用数据可双向传输，系统传输网络如图1所示。

图1 系统顶层传输网络框架

智能灌溉系统主要由服务器、网关、终端设备组成。服务器存储网关上报土壤墒情信息，进行数据分析，同时结合土壤情况通过网络下发灌溉控制指令给网关；网关将服务器下行数据通过LoRa传输到需要控制的终端设备，实现自动灌溉；终端设备采用RS 485接口，支持标准Modbus协议，可以随意接入相应监测土壤墒情传感器，同时接入电磁阀控制灌溉接口，将土壤墒情通过无线通信与网关实现数据交互。

2 系统软件实现

为进一步提高系统通信的可靠性和实时性，降低节点设备功耗，将核心路由协议嵌入智能网关单元。网关采用POE供电方式，可满足户外长期工作需求，网络方式支持以太网、4G、WiFi等，客户可根据现场环境选择。同时，网关支持设备热插拔自动选择与服务器间数据交互方式；优先选择以太网、WiFi，当以太网、WiFi网络异常时自动切换为4G网络。

网关与终端设备间通信采用LoRa组网形式，形成内部局域网，终端设备每15～30 min自动上报一次土壤墒情数据，为确保网关与终端设备间的无线通信网络LoRa传输稳定，同时保证系统低功耗、可持续运行，网关与终端设备LoRa传输上行和下行数据使用防碰撞技术。此外，若无线通信因误码导致个别节点数据上传错误，可通过错误重传功能再次查询，判断错误信息出现的原因是通信误码导致还是节点故障，网关将所有终端设备上报信息上传到服务器，由服务器对土壤墒情进行大数据分析；根据土壤情况下发灌溉控制指令，结合电磁阀控制开关实现智能灌溉。软件流程如图2所示。

图2 程序流程

由于无线信道只有冲突域的特性，所以需设置一种随机接入机制，以避免多个节点同时访问网络所带来的冲突问题。在802.11无线局域网协议中，冲突的检测存在“Near/Far”现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中无法实现；CSMA/CA利用ACK信号避免冲突的发生，即只有当客户端收到网络返回的ACK信号后才确认送出的数据已正确到达。LoRa信道规划机制借鉴类似方案，同时结合LoRa自身支持多通道、多扩频因子的特点实现更理想的通信效果。

3 系统关键技术

由于无线信道只有一个冲突域的特性，所以需要设置一种随机接入机制，以避免多个节点同时访问网络所带来的冲突问题。

4 主要解决的问题

（1）每次发送数据前使用随机信道ID通信；

（2）计算出当前使用的SF、Parklen所需时间，即TimeAir，以TimeAir的倍数产生随机时间作为开始发送时间基准，当时间未到达时节点处于休眠状态；

（3）当随机时间计时达到时开启CAD侦听，8路信道扫描侦听如果，CAD不触发则说明当前信道可以发送数据，从8路信道中选择最“干净”的进行数据发送；

（4）如果CAD侦听触发则说明当前信道忙，设备不发送数据，重复（2）操作，正常时重复（3）操作。

5 结 语

该方案采用类似CSMA/CA的机制，结合LoRa网关SX1301，支持8通道硬件特点，进行不同通道信号侦听过程，融合跳频特点，提高通信过程网络健壮性。相对于单纯的LoRaWAN协议，该方案在通信MAC层上优化了通信竞争，降低了网络干扰，提高了LoRa设备通信信道利用率；同时，结合LoRa ADR功能进行扩频因子、通信过程发射功率适配，降低环境中的信号干扰及多径效应，使网络性能得到更大提升。该方案在高扩频因子数下，网关丢包率大大降低；在不破坏LoRaWAN的基础上增加通信碰撞规避机制，使得原有设备在提高网络容量的同时也可以与其他标准化LoRaWAN设备进行无缝接入。相同测试环境下，10个设备在SF12时采用该方案的丢包率为1%～3%；不采用该方案测试时，丢包率超20%。实践证明，该方案为系统设计实现提供了可靠保障。