LoRaWAN的無線預付費系統方法設計與應用

孟洋

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：以LoRa為代表的低功耗、遠距離網路技術的出現，有效解決了物聯網複雜組網和高功耗的難題。為進一步降低基於LoRaWAN的無線抄表系統的功耗，同時針對ZigBee、紅外等無線技術在抄表方案中存在通訊距離短、抗干擾能力弱的缺陷，透過對LoRaWAN無線標準協議的研究，將MCU系統和LoRa技術相結合，設計了一種基於LoRaWAN無線通訊技術的智慧抄表系統。首先介紹無線抄表系統的硬體組成和功能模組的作用，其次介紹節點軟體設計過程，得出結論，該系統實現了降低功耗的作用。

關鍵詞: LoRa；物聯網；低功耗；遠距離；LoRaWAN

0引言

低功耗廣域網路技術（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種物聯網無線接入新技術，具有低功耗、網路擴充套件性強、通訊距離遠等優點。LoRa（Long Range）作為一種非授權頻譜的LPWAN無線通訊技術，以廣覆蓋、低功耗等特點受到了廣泛關注。LoRa是一種由LoRa聯盟推出的遠距離通訊系統，主要包含物理層和MAC層（即LoRaWAN），如圖1所示。

圖1 LoRa層結構

LoRa物理層採用線性調頻技術（CSS，Chirp Spread Spectrum），適用於遠距離、低功耗、低吞吐量的通訊。LoRaWAN由LoRa聯盟釋出，是一種基於開源的電信級MAC層協議。LoRa是一項私有技術，工作在未授權頻段，使用免費的ISM頻譜，具體頻段及規範因地區而異。LoRa作為非授權頻譜LPWAN技術典型代表，有廣泛的應用場景，如太陽能路燈照明管理系統、遠距離無線抄表系統等。隨著智慧城市的發展，遠距離無線抄表技術將在智慧抄表應用中起到非常重要的作用。終端儀表由於無法保證持續的外部電能供應，只能依靠電池供能，所以在執行過程中儘可能降低平均功耗，才可以保證不間斷的長期工作。顯然，只降低發射機的發射功率，或者只降低接收機的功耗電流是不現實的。這種方法的效果不但不明顯，還會帶來通訊質量下降的惡劣後果。在現有的無線抄表系統中，當通訊裝置不工作於發射或接收模式時，使其進入休眠狀態，是降低平均功耗有效的方法。當集中器或閘道器需要和某個終端儀表通訊時，處於休眠狀態的終端裝置將被喚醒，轉換成發射或接收模式，實現交換資料的功能。

1 總體設計

LoRaWAN主要包含三個部分：節點、閘道器、伺服器。節點負責資料的採集，將採集的資料打包上傳給閘道器。閘道器負責資料包的轉發，包括將節點上傳的資料轉發給伺服器和將伺服器的下行命令轉發給節點。伺服器負責資料解析和下發控制命令。整體結構如圖2所示：本文設計的低功耗無線通訊系統包含一個命令下發裝置（伺服器）、一個命令資料中轉裝置（閘道器）和若干個終端裝置（節點）。

圖2 LoRaWAN網路模型

在系統正常執行的狀態下，閘道器使用市電供電；由於節點所處的位置不唯一，環境複雜多變，無法保證使用市電進行供電，因此只能使用電池供電。為了維持節點的長時間穩定工作，就需要在儘可能長的時間內處於低功耗模式。節點在低功耗模式下只能被動接收資料，不能主動傳送資料。一旦節點被喚醒，處於正常的工作狀態，就可以接收和傳送資料。伺服器的主要功能是給閘道器下發控制命令，閘道器的主要功能是喚醒節點並且轉發伺服器下發的控制命令，並上傳節點的資料給伺服器。當集中器給某終端裝置傳送資料時，首先需要將處於睡眠狀態的終端裝置喚醒，再進行通訊。終端表裝置接收到喚醒幀後，透過判斷喚醒幀中的終端地址是否與該終端裝置的地址相同，來決定此終端表裝置是否準備開啟接收模式。如果喚醒幀中的終端地址與該終端表地址不相同，則丟棄此喚醒幀，終端表裝置繼續處於低功耗模式，開啟週期性檢測通道空閒功能。如果相同，終端表裝置會根據喚醒幀中的時間標籤在低功耗模式下進行一段時間的延時，當延時時間結束，立刻開啟接收模式。

2硬體設計

硬體包含閘道器與節點，採用意法半導體公司基於Cortex M3核心的32位高效能超低功耗微控制器STM32F103作為閘道器，該晶片工作頻率可達72MHz，具有512KB的快閃記憶體以及高速SRAM，效能強勁，實時性好。同時該晶片有睡眠模式、停止模式和待機模式3種低功耗工作模式，以及創新型自主動態電壓調節功能，方便了系統低功耗設計，可以滿足無線抄表的各種需求。閘道器需要搭載LoRa晶片以及與伺服器通訊的通訊模組。MCU控制單元是智慧水錶的控制器，起著決定性的作用。節點採用低功耗MCU與感測器、控制器相連，單個節點只搭載單個感測器，電池採用高容量低功率型別的電池。設計採用Semtech公司推出的低功耗半雙工高靈敏度的SX1278收發器作為節點。SX1278射頻模組是一種高度整合低功耗半雙工小功率無線資料傳輸模組，採用LoRa擴頻調製解調技術，其傳輸距離遠遠超過使用FSK等調製解調技術，能夠降低網路部署成本，易於管理和監控。具有傳輸距離遠、訊號穿透性強、資料接收和傳送穩定等特點。同時，SX1278軟體配置具有很大的靈活性，使用者可透過程式決定擴頻調製頻寬(BW)、糾錯率(CR)和擴頻因子(SF)。

圖3 硬體總體框圖

3軟體設計

無線通訊系統在正常執行時，首先閘道器和節點進入到硬體初始化階段，節點完成硬體初始化後進入低功耗模式，週期性開啟通道空閒檢測。此時檢測通道是否空閒，如果通道空閒，則此節點繼續處於低功耗模式，週期性開啟通道空閒檢測。在某一時刻由伺服器向閘道器的GPRS模組下發抄表命令，閘道器接收到抄表命令後進行解析，透過解析後的命令內容生成用來喚醒特定節點的喚醒幀。閘道器會透過無線裝置傳送持續一定時間長度的喚醒幀，在此時間段內，節點將配置成無線接收模式，接收閘道器傳送的喚醒幀。喚醒幀中包含節點地址和時間標籤，判斷喚醒幀中裝置地址是否和此裝置地址相同，如果不相同則丟棄此喚醒幀；如果相同，則提取此喚醒幀中的時間標籤，透過時間標籤計算出將此節點切換為低功耗模式的延時時長，進行延時，一旦延時時長結束，立刻將此節點配置成無線接收模式，直至接收到閘道器傳送的命令。當接收到閘道器傳送的命令後，解析抄表命令，獲取此終端節點的資料，將此資料傳送給閘道器，完成通訊過程。當節點將資料傳送給閘道器後，將此節點配置成低功耗模式，週期性開啟通道空閒檢測，整個無線通訊系統執行的流程如圖4所示。

圖4 低功耗無線抄表方法流程圖

如圖5所示，節點和閘道器在t0時刻進行硬體初始化，節點在t1、t2、t4、t9時刻開啟通道空閒檢測。而節點的無線模組會透過RTC時鐘定時，週期性開啟通道空閒檢測，因此圖中t1-t0=t2-t1=t4-t2=t9-t8。在t0到t1、t1到t2、t2到t4、以及t8到t9的時間段內，終端裝置的無線模組都會處於睡眠模式。

圖5 低功耗無線抄表方法時序圖

在t3時刻時，閘道器接收到伺服器傳送過來的抄表命令，同時生成喚醒特定節點的喚醒幀，其中包含節點地址和時間標籤。t3時刻閘道器開始傳送喚醒幀，t6時刻完成喚醒幀的傳送。節點在t4時刻處於通道空閒檢測模式，因此在t4時刻特定節點被喚醒，此時該節點處於無線接收模式，用來接收後續閘道器傳送的命令。閘道器傳送的抄表命令是在t7時刻，為了降低功耗在t4到t5的時間區間內使節點處於完全低功耗模式（MCU 進入Halt模式，無線模組進入睡眠模式）來降低功耗。若喚醒幀中的時間標籤值為TL，時間標籤值允許的個數為TLN，t4到t5的時間區間長度為DST：