基于LoRa的低功耗溫度采集傳感器系統設計

印 華,方 挺,董 沖,胡祥翱

安徽工業大學 電氣與信息工程學院,安徽 馬鞍山 243000

1 引 言

在物聯網[1]技術迅速發展的時代背景下,越來越多的工業設備更加智能化和信息化。如今,物聯網技術已經應用到工業制造、農業監測、醫療器械等多個領域,利用通訊技術對傳感模塊的感知數據進行數據傳輸和遠程控制,使整個工業生產過程變得更加安全化和高效化。

隨著物聯網的廣泛應用,低功耗和低成本的通信技術對物聯網應用和服務的發展產生了深遠的影響。相比于熟知的低功耗藍牙(BLE)、ZigBee和WiFi等技術,低功耗廣域技術(LPWA)的傳輸距離更遠,其鏈路預算可達到160 dBm,而BLE和ZigBee等在100 dBm以下。和傳統蜂窩網絡技術(2G,3G)相比,LPWA的功耗更低。LPWA中LoRa[2-3]通信技術具有低功耗,覆蓋廣、低成本等特點,傳輸距離可達3 km[4],使其成為物聯網產品的熱門選擇,例如:智能計量、智能農業、智能停車等。除這些優勢以外,LoRa也有一些問題和不足之處。最主要問題是,使用ALOHA類型的協議,導致了高電池耗電量和低可靠性,并限制了在LoRaWAN(LoRa Wide Area Network)網絡中控制場景的應用程序。張琴等[5]將LoRa應用于水產養殖水質監測,通過設置不同的發射功率,并在MAC(Media Access Control)層使用無競爭時分多址協議,實現降低傳感器節點功耗的目的,使其在功耗上優勢明顯,但發射功率會影響傳輸距離,對于較遠距離傳輸會存在數據丟包問題。李時杰等[6]將LoRa應用于電氣設備的溫濕度監測,利用器件的低功耗特性降低終端的功耗、利用微控制器(Micro Controller Unit,MCU)端口對傳感器供電電源進行控制,以達到降低功耗的目的,但是未對LoRa網絡性能進行優化。岳云濤等[7]將LoRa應用于電氣火災預警,通過對收發器的休眠機制來降低探測器的功耗,但是通過單一的休眠機制來控制功耗,在數據層面和硬件層面的結合應用相對較少。

在無線傳感網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)中,MAC的性能直接影響到整個網絡的性能,不同的設計目標和應用場景也導致了其側重點不同,其主要考慮的是能耗、信道的利用率、數據沖突等問題。一些研究只是通過單一的休眠機制來控制功耗,缺少在硬件低功耗設計和LoRa網絡性能優化。為了減少上行通信所帶來的能耗,一般采用減少數據收發頻率的策略,但是忽視了監測所需的實時性。對于類似數據融合和事件監控等應用程序,上行通信的時隙資源調度[8]顯得尤為重要。

2 系統采集與傳輸架構設計

高爐冷卻水溫監測系統[9]主要由數據采集和數據傳輸兩部分組成,系統模型如圖1所示。其中,數據采集層主要包括傳感器模塊、主控制器和LoRa模塊等,構建了由鋰電池供電的低功耗采集裝置。網關主要由主控制器模塊、LoRa模塊組成。系統具備了實時數據采集、無線傳輸、數據存儲等功能,實現了對高爐冷卻水溫度情況的分布式監控和集中管理。

圖1 系統模型

采集終端將采集的溫度信息通過LoRa通信模塊將數據發送到網關;網關將接收到的數據經過處理后,通過串口上傳至上位機。當檢測的水溫情況出現異?；蛘咪囯姵仉妷哼^低,則會觸發警報事件中斷。此時,單片機控制LoRa發送報警信息,使工作人員能夠及時了解情況。提供了穩定且可靠的水溫監測與異常警報方案。

2.1 采集終端設計

采集終端主要以溫度采集和數據傳輸為主,包括傳感器模塊、主控制器模塊、無線通信模塊。如圖2所示。

圖2 采集終端硬件結構圖

傳感器模塊主要是檢測和響應來自現場環境的輸入,以50 Hz的頻率進行采樣。輸入信號通過RTD(Resistance Temperature Detector)數字轉化器將模擬信號轉化為數字信號,然后將數字信號以SPI(Serial Peripheral Interface)通訊協議發送給單片機。

由于工業現場環境復雜,大多采用鋰電池供電,則對采集終端的功耗提出了嚴格的要求。故選擇以Cortex-M3內核的STM32L151芯片作為主控芯片,STM32L系列有5種低功耗模式。主控制器模塊負責接收傳感器模塊采集轉換后的數字信號,并將數據進行濾波與均值處理,最后將這些數據傳送給LoRa模塊。一旦完成數據處理,處理后的數據通過無線通信模塊進行發送。無線通信模塊選用安信可Ra-02,基于SX1276射頻芯片開發,主要采用LoRa遠程調制解調器,用于超長距離擴頻通信,抗干擾能力強,擁有良好的抗多徑衰落性能。

為了達到低功耗的設計要求,對于傳感器模塊,并不需要其長期待機工作。當單片機進入低功耗模式時,用MOS關斷電路切斷其供電,從而降低該模塊所耗費的功耗。由于采集終端布置在工業現場,其工作環境惡劣,溫度、振動等其他環境因素會影響單片機的時鐘精度,間接影響LoRa的時間同步和定時上報。所以,選用外部低功耗高精度時鐘芯片RX8010SJ,其待機電流僅為160 nA,滿足低功耗的實際需求。

2.2 采集網關設計

依據實際需求,網關的硬件設計與終端具有一定差異化。首先,供電方式不同。網關由USB供電,對于功耗要求不高;其次,環境不同。網關放置在監控中心,不必考慮復雜的工作環境;最后,功能不同。網關將接收的數據進行轉換輸出,不包含采集數據的功能。網關的硬件主要包含無線通信模塊、主控制器模塊以及有線通信模塊,如圖3所示。

圖3 采集網關結構圖

網關主要通過LoRa模塊接收采集終端的數據,經主控制器將接收到的數據包轉化成相應的協議輸出。通過USB轉串口,將數據上傳至上位機。

3 采集終端能耗計算模型

為了研究節點的能耗,對采集終端進行建模分析[10]。分析終端的不同工作模式,然后計算個模式的消耗能量,并推導出消耗能量模型。研究中,所有的模塊都在3.3 V下供電。傳感器在一個數據上報周期內消耗的總能量由式(1)表示:

ET=ES+EW

(1)

其中,ES和EW分別為MCU在休眠模式下和工作模式下的能量損耗。

Ework為采集終端各部分的能耗的總和。如式(2)所示:

Ework=Ew+Ea+Ed+ETx+ERx

(2)

式(2)中,Ew、Ea、Ed、ETx、ERx為MCU喚醒、傳感器數據采集、MCU數據處理、LoRa發送和LoRa接收中消耗的能量。由于采集終端多數時間處于休眠狀態,在工作之前,MCU先進行系統喚醒,然后通過GPIO引腳控制MOS關斷電路,使電源給傳感器模塊供電。在喚醒持續時間所消耗的能量Ew如式(3)所示:

Ew=Pon(fMCU)·Tw

(3)

式(3)中,Pon(fMCU)和Tw分別為MCU消耗的功率和喚醒持續時間,fMCU為MCU的頻率。

當傳感器進行數據采集時,損耗能量Ea如式(4)所示:

Ea=(Pon(fMCU)+Pa)·Ta

(4)

Pa和Ta分別為數據采集消耗的功率和持續時間。

在測量完成后,微控制器繼續進行數據處理。持續時間取決于微控制器的工作頻率和指令數。式(5)中,計算微控制器所消耗的能量:

Ed=Pon(fMCU)·Td(fMCU)

(5)

LoRa發射模式所消耗的能量ETx如式(6)所示:

ETx=(Pon(fMCU)+PTx)·TTx

(6)

式(6)中,PTx為發射模式下的功率損耗,TTx為其持續時間。TTx如式(7)所示:

TTx=Nbit·Tbit

(7)

Nbit和Tbit分別為傳輸的比特數和傳輸一個比特數的時間。

LoRa接收模式所消耗的能量ERx如式(8)所示:

ERx=(Pon(fMCU)+PRx)·TRx

(8)

式(7)中,PRx為接收模式下的功率損耗,TRx為其持續時間。

微控制器在工作模式下所消耗的能量由式(9)表示:

EMCU=Pon(fMCU)·TMCU(fMCU)

(9)

其中,TMCU(fMCU)為微控制器的工作時間,由式(10)表示:

TMCU(fMCU)=Tw+Ta+Td(fMCU)+TTx+TRx

(10)

4 基于LORA的通信策略

在高爐冷卻水溫度監測系統中,既需要周期性上傳冷卻水的溫度數據,也需要實時上傳緊急異常數據。當檢測的水溫情況出現異?；蛘咪囯姵仉妷哼^低,會觸發警報事件中斷,需要發送緊急信息。對于周期性上傳的數據,LoRa通信使用ALOHA協議,當多個數據包同時發送時,會造成數據沖突發生丟包。為了提高網絡可靠性和數據實時上傳,采用了時分多址技術進行數據傳輸。該技術給網絡中的每個節點分配一個時隙,各個節點只有在自己的時隙才會定時上報數據。為了確保時隙的分配調度,網絡中的所有節點的時間必須保持一致。

4.1 基于TPSN的時鐘同步

在無線傳感器網絡中,時鐘同步主要由LoRa通過MAC層發送時間戳的方式[11]。為了實現網關和終端的高精度時鐘同步,網關將參考時間作為同步消息發送給采集終端。參考時間包含了秒、分鐘、小時和年月日的時間戳,消息類型包含了入網請求、時鐘同步、調度消息、數據上傳、警報信息等,用不同的編號表示,便于對讀取相應的消息類型,對有效負載進行必要的處理,如圖4所示。

圖4 時鐘同步信息格式圖

當網關發送信息到采集終端時,存在發送延遲和接受延遲產生的延遲影響。在時鐘同步中,網關以圖4所示的格式將信息發送至終端,并記錄發送時間。終端接收到消息后,MCU會讀取到LoRa模塊的中斷事件信號,記錄此時的時間戳數據。解析消息后,讀取時間值,將時間值寫入RTC(Real Time Clock)寄存器,再記錄此時的時間戳數據,完成后發送應答信號ACK(Acknowledge character)。通過兩次時間戳的差值可以計算出單片機處理計算時間。

網關在接收到應答信號后,記錄接收時間。計算記錄時間的差值,從網關到終端的傳輸時間由式(11)表示:

ToA=(T2-Tc-T1)/2

(11)

其中,網關發送時間為T1,接收時間為T2,單片機的處理計算時間Tc和廣播模式下數據幀的傳輸時間ToA。 將數據包的傳輸時間和計算時間添加到RTC中,再次發送同步消息T3至終端,同步消息中T3值如式(12)所示:

T3=ToA+Tc+TRTC

(12)

其中,TRTC為網關的RTC值。

終端接收后將值寫入RTC的寄存器中,終端向網關發送應答信號。這樣,終端與網關實現了時鐘同步。當網關對每個終端都實現時鐘同步后,分配好每個終端的上傳時間,以廣播模式發送調度安排。時鐘同步協議圖如圖5所示。

圖5 時鐘同步協議圖

4.2 基于TDMA的數據傳輸

需要定時上傳的溫度數據,網關根據采集終端的數量進行分配,將整個數據上報周期T劃分為若干個時隙[12]。采集終端根據分配的時隙,按照設定的順序依次上傳周期性數據,網關接收到后返回ACK應答信號。終端接收完成后進入休眠狀態,到下一次上傳時隙到來時,再次喚醒系統,完成相應的任務。將每個終端的傳輸時間都分隔開,有效避免終端傳輸時的數據包碰撞問題,提高了數據投遞率和網絡可靠性。

對于緊急上傳的數據,需要保證該數據的及時性。在周期劃為若干個時隙時,為了降低緊急數據和定時數據傳輸時數據包沖突的幾率,每個終端預留了緊急數據發送的時間裕量。首先,終端進行持續性信道活動檢測(Channel Activity Detection,CAD),當檢測到信道空閑時,再向網關上傳緊急數據。LoRa數據調度如圖6所示。

圖6 LoRa數據調度圖

5 性能分析與仿真

5.1 LoRa傳輸參數性能仿真

LoRa支持PHY(Physical Layer)傳輸參數的設置[13]。擴頻因子(SF)為12,調制帶寬(BW)為125 kHz,編碼率(CR)為4/5時,LoRa傳輸距離最遠;擴頻因子為7,調制帶寬為500 kHz,編碼率為4/5時,LoRa傳輸距離最短[14]。對不同傳輸參數進行比對驗證,節點周期性上傳數據T為1 min,數據包有效負載為50 Bytes。取編碼率為4/5時,不同擴頻因子和調制帶寬的接收靈敏度圖如圖7所示。

圖7 不同擴頻因子和調制帶寬接收靈敏度圖

在理想環境中,無線通信滿足如式(13)所示:

(13)

式(13)中,Pt為發射器的發射功率,Pr為接收器的靈敏度,Gt為發射天線增益,Gr為接收天線增益,f為載波頻率,d為收、發天線間的距離,c為光速,LC為發射天線的饋線插損,LO為空中傳播損耗。

由式(13)推出距離d如式(14)所示:

(14)

由圖7可知,擴頻因子與接收靈敏度成反比,調制帶寬與接收靈敏度成正比。由式(14)可知,接收靈敏度與距離成反比。擴頻因子與接收靈敏度成反比,與傳輸距離成正比,可以增大擴頻因子值提高LoRa覆蓋范圍。調制帶寬與接收靈敏度成正比,與傳輸距離成反比,使LoRa的通信范圍降低。當擴頻因子為7,調制帶寬為500 kHz時,接收靈敏度最大,LoRa傳輸距離最近。當擴頻因子為12,調制帶寬為125 kHz時,接收靈敏度最小,LoRa傳輸距離最遠。

取擴頻因子為12,不同編碼率和調制帶寬的接收靈敏度如圖8所示。在同一調制帶寬下,編碼率值的改變并沒有影響到接收靈敏度。接收靈敏度隨著調制帶寬的增加而增加,LoRa傳輸距離也隨之減小。

圖8 不同調制帶寬和編碼率的接收靈敏度圖

取調制帶寬為500 kHz時,不同擴頻因子和編碼率的接收靈敏度如圖9所示。在同一擴頻因子下,編碼率值的改變并沒有影響到接收靈敏度。接收靈敏度隨著擴頻因子的增加而減小,LoRa傳輸距離也隨之增加。

圖9 不同擴頻因子和編碼率參數比特率圖

LoRa傳輸距離受擴頻因子和調制帶寬的影響,不受編碼率影響。LoRa傳輸距離與擴頻因子成正比,與調制帶寬成反比。故擴頻因子為12,調制帶寬為125 kHz時,LoRa傳輸距離最遠。

5.2 采集終端能耗分析

在采集終端能耗模型中,主要的能源消耗是微控制器單元、傳感器單元和LoRa射頻單元。采集終端的供電電壓為3.3 V,MCU的工作頻率為8 MHz時鐘,LoRa的傳輸參數選擇擴頻因子為12,調制帶寬為125 kHz,編碼率為4/5時,測得電流如圖10所示。

圖10 終端電流圖

由圖10可知,LoRa發送時需要的電流較大,成為影響終端能耗的主要因素。選擇合理的通信策略, 盡可能地確保上行數據發送成功,避免數據包沖突造成丟包而多次發送導致的功耗增加問題。

5.3 LORA通信性能仿真

利用LoRaSim離散事件模擬器,分析基于LoRa協議層的時鐘同步協議和時分多址聯合優化的無線通信策略的性能?？紤]實際應用場景中建筑物較多,信號受到建筑物和物體阻擋時,會導致信號產生衰落。故選擇傳輸距離最遠的參數,擴頻因子為12,調制帶寬為125 kHz。無時間同步的節點采用ALOHA作為MAC層協議,定期生成數據包。時間同步的節點按分配的時隙發送數據包。每個數據包的有效負載為50字節。隨著終端數量變化情況,將不同LoRa通信策略的投遞率和耗能進行比較,耗能為節點的能量損耗。圖11顯示不同策略的能量損耗。投遞率(Packet Delivery Ratio,PDR)為目標節點接收到的數據包和源節點發送數據包的比值關系,如式(15)所示:

(15)

圖11 能量消耗圖

其中,Pr為目標節點接收到的數據包,Ps為源節點發送的數據包。圖12顯示不同策略的投遞率。

圖12 投遞率圖

如圖11所示,LoRa-ALOHA 的能量消耗也隨著節點數量的增加而增大,在數據包投遞過程中導致的數據碰撞和重傳,更多的數據發送次數導致更高的能耗。LoRa-TDMA采用時間自同步調度方式,相比于LoRa-ALOHA,能耗方面具有顯著優勢。隨著節點數量的增加,其低功耗的優勢非常明顯。

如圖12所示LoRa-ALOHA的投遞率隨終端節點數量的增加而增大。由于在數據包投遞過程中發生數據碰撞,導致投遞率在終端節點個數的增加而減小。而LoRa-TDMA各個終端節點依據分配的時隙上傳數據,發生數據碰撞的幾率小,使其具有較高的投遞率。但隨著節點數量的增加投遞率略有下降,當存在多個節點數據上傳,數據包碰撞的概率增大,其影響較小。

6 結 論

設計了基于LoRa的遠距離低功耗無線傳感器網絡系統。系統搭建基于LoRa通信水溫采集終端的模塊能耗計算模型。通過對計算模型分析,提出了一種基于LoRa協議層的時鐘同步協議和時分多址聯合優化的無線通信策略。該策略利用LoRa通信技術完成信息交互,實現網關與終端節點的高精度時鐘同步。網關完成對無線資源調度,動態分配終端節點的時隙資源,實現數據周期性上傳,降低數據傳輸碰撞的概率,優化無線資源的使用效率。實驗表明,該通信策略與ALOHA通信協議相比,顯著提高了通信的投遞率和能源效率,進一步提高了LoRa在網絡中的性能,所提出的聯合優化的無線通信策略是有效的。