基于LoRa物聯網的智慧小區方案研究

莊樹軍

緒論

研究背景

隨著物聯網技術的快速發展，生活中隨處可見的物聯網技術正在向著萬物互聯的方向快速的發展，物聯網的發展不單單體現在工業上的應用，那么在日常生活中也是給人們生活帶來了很多的便利。智能家居、智慧城市、車聯網等等一系列的技術概念走進了人們的日常生活。

本文主要研究基于LoRa協議在智慧小區建設方面的可行性以及實現方案。針對小區的所有情況進行組網實時監測，更大的節約了人力成本，同時也帶給了人們更加舒適的生活環境，同時對于一些突發情況也能得到及時的響應和處理。通過主控芯片連接的煙霧傳感器、紅外報警傳感器、火焰傳感器分別部署在相應的位置，每戶家庭單獨設置路由器統一進行ID編號，然后進行數據處理，緩解小區內部LoRa網絡的壓力，同時對于信息的整理和分發更加準確，簡單。每戶將戶內的信息整理后經過戶內的路由器直接通過星型網絡發送到物業的后臺，物業的后臺就可以實時監控每一戶的安全情況和火災情況。

以往物聯網通訊采用了Zigbee無線通訊、WIFI、藍牙或者GPRS等方式，那個上述通信方式有利有弊，LoRa技術的出現打破了以往物聯網通信的難點，最終在經過評估后采用LoRa技術，通信距離長、靈活、低成本部署的優勢以及功耗相對較低。

1 LoRa技術簡單介紹

LoRa技術誕生于2013年，它是由一種新型芯片實現了基于1GHz以下的超長距離、低功耗的數據傳輸技術，與其他芯片相比，采用了線性的調頻擴頻調制技術，保持了頻移鍵控的低功耗特性同時大大的增加了通信的距離，消除了干擾，LoRa最高接收靈敏度改善到20db以上，確保了網絡的可靠性。所以在上述的基礎上，LoRa技術的網關能夠并行的處理多個節點的數據，擴展系統的容量。

LoRa主要由終端設備、網關、服務器以及云端四部分組成，可以實現數據的雙向通信，同時LoRa運行在全球的免費頻段，不需要進行授權。所以LoRa技術在物聯網通信上面是非常不錯的通信方案。

LoRa的特性如下：

1.傳輸距離：城鎮可達2-5 Km，郊區可達15 Km。

2.工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MH等。

3.標準：IEEE 802.15.4g。

4.調制方式：基于擴頻技術，線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力。

5.容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點。

6.電池壽命：長達10年。

7.安全：AES128加密。

8.傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長。

2 LoRa協議分析

2.1 LoRa協議介紹

所有的LoRa設備都必須保持與Class A兼容，LoRa設備分為基本的Class A設備和可選的Class B、Class C功能。如圖1所示：

Class-A設備：

A類設備是雙向終端設備，允許雙向通訊，每個終端的上行鏈路之后是兩個短的下行鏈路接收窗口，終端設備可以根據自身的通信需求來調度傳輸時隙，同時隨機時間在很小的范圍內變化，對于需要在終端設備發送上行鏈路和從服務器進行下行鏈路的應用程序，A類設備是最低功耗的終端設備系統。同時所有的LoRaWAN的終端設備必須實現A類設備的功能。

Class-B設備：

B類設備允許更多的接收接口，除了A類設備的隨機接收窗口外，B類設備還在計劃時間內打開其他的接收窗口，為了保證在計劃的時間內打開規定的接收窗口，那么B類設備需要從網關來進行時間的更新和接收時間同步的信號。

Class-C設備：

C類設備僅僅在發送的時候才會關閉接收窗口，因此C類設備會使用更多的電源進行操作，相比較與A、B類設備，C類的設備功耗相對較高，但是他們從服務器到終端設備進行通信的延遲是最低的。

結合實際項目需求，我們僅僅采用A類設備就可以完成我們所需要的功能。

2.2 LoRa協議MAC層分析

MAC層的協議是比較復雜的，所有LoRa上行鏈路和下行鏈路消息均是由一個八位字節的MAC標頭（MHDR）開始，后跟一個MAC有效載荷（MACPayload）并以一個四字節的消息完整性代碼（MIC）結束的。值得注意的是MAC負載最多59個字節，保證完整的數據包不超過64字節。

LoRa的MAC層分四種消息類型：加入請求、加入接受、未確認的消息和確認消息。加入請求和加入接受是OTAA空中接入過程中使用。數據消息是用來傳輸MAC控制數據和應用數據的，甚至有可能出現在同一個數據中。確認消息必須要無線接收端確認，而未確認信息不需要確認。

網絡的管理可以在服務器和終端上的MAC層之間專門交換一組MAC命令。MAC層命令對于應用程序或終端程序永遠是隱式的不可見的。單個數據幀可以包含MAC命令序列。FRMPayload發送的MAC命令是始終被加密的，同時要注意不能超過最大FRMPayload數據長度。MAC命令是1個八位的命令標識符和有可能為空的特定于命令的八位序列組合而成。

接收端是按照與發送命令相同的順序應答或者確認MAC命令，包含答案的緩沖區必須在單個幀中發送的意思就是在單個幀中收到的MAC命令必須在單個幀中應答。同時服務器不允許在終端設備的單個上行鏈路中生成有可能無法應答的MAC命令。

2.3 LoRa協議物理層分析

物理層的消息分為兩類：上行鏈路消息、下行鏈路消息。

上行鏈路消息：是從終端設備發送消息到一個或者是多個的網絡中繼器，上行鏈路消息的數據包格式如下表1：

上行消息使用LoRa無線電數據包顯式模式，其中包括LoRa物理標頭（PHDR）加上標頭CRC（PHDR_CRC）。有效載荷的完整性受到CRC的保護。PHDR，PHDR_CRC和有效載荷CRC字段由無線電收發器插入。

下行鏈路消息：由服務器發送到終端設備，格式如表2：

下行消息使用無線電分組顯式模式，其中包括LoRa物理標頭（PHDR）和標頭CRC（PHDR_CRC）。

終端設備在上行傳輸之后必須開啟以傳輸結束的起始點作為開始時間的兩個短暫的接收窗口。如果服務器想要發送一個下行信息到終端設備的前提是必須要準確的在兩個接收窗口的起始點開始傳輸信號。如果一個下行信息在兩個窗口都在傳輸，那么要保證每個窗口傳輸的幀格式必須相同。

第一接收窗口使用的數據速率和上行數據速率有關，同時使用的頻率和上行頻率也是是有關系的;但是第二接收窗口使用固定的可配置的頻率和數據速率。但是果在一個接收窗口中檢測到了前導碼，直到下行幀被解調完畢之前，射頻接收器都一直在保持工作。如果某一幀被檢測到并且在隨后的第一接收窗口被解調，且此幀的完整性、地址校驗通過確認，那么終端設備是不允許打開第二個接收窗口的。

同時要注意的是如果前一次傳輸后在第一窗口或者第二窗口收到了來自服務器的消息或者前次傳輸后的第二接收窗口已經過期這兩種情況出現，那么終端設備不能夠傳輸另外的上行消息的。

3 方案設計

3.1 硬件電路設計

3.1.1 主控芯片的電路設計

室內終端設備的主控芯片采用STM32F103RCT6，Cortex-M3內核，主頻可以達到72MHz，外設接口豐富，工作溫度-40-85攝氏度;室內路由器主控芯片采用STM32F429BIT6，主頻可以達到180MHz，2M字節Flash，256K字節的RAM，支持USB Host、Device接口等外設。外部采用8MHz的晶振，RTC采用32.768KHz的晶振。

室內終端設備電路框架圖如圖2所示：

室內路由器電路框架圖如圖3所示：

3.1.2 LoRa協議芯片的電路設計

LoRa協議模塊采用美國Semtech公司的SX1276芯片，LoRa協議模塊采用美國Semtech公司的SX1276芯片，最大168db、RF輸出+20dbm-100mW、+14dbm高效PA、高達300kbps可編程速率、超高靈敏度：-148dbm、動態RSSI 127db。 SX1276的參考電路如下圖4：

3.2 程序設計思路

為了減小網絡的壓力，每戶單獨配置路由器，室內的設備節點將信息發送到每戶的路由器上面，由路由器統一進行發送到物業后臺，物業可以通過每戶的路由器ID確定當前用戶是否存在危險警報，并及時做出相應的反應，可保證遇見危急情況實時處理。

SX1276初始化流程圖如下圖5所示：

接收模式流程如圖6所示

發送模式流程圖如圖7所示：