基于LoRa的农田信息无线采集方案设计

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(武汉理工大学 理学院，武汉 430070)

0 引言

农业物联网集信息感知、数据传输、智能信息处理技术于一体，作为物联网的一个重要发展方向，受到了广泛关注。随着农业物联网技术的发展，如何降低设备成本和功耗，如何提高无线网络的传输距离、传输效率、电池寿命和可靠性等诸多问题成为农业信息化发展面临的全新挑战。无线传感器网络(WSN,wireless sensor network)作为物联网的关键技术在农业方面已有大量的应用研究，由于传统的WSN采用ZigBee、WiFi、Bluetooth等无线通信技术，在通信距离、功耗、抗干扰和组网规模上存在局限性，面对地域广阔、分布不集中、自然环境恶劣的农业应用场合，传统的无线通信技术已经无法满足农业物联网的发展需求[1-3]。

低功耗广域网(LPWAN，low power wide area network)技术作为新兴的物联网无线接入技术，与传统的无线技术相比具有传输距离远、功耗低、成本低、覆盖容量大等优点。适合于长距离、低功率和低数据传输速率的应用场合。目前LPWAN技术包括LoRa、SigFox、LTE-M、NB-IoT、Weightless等[4]。LoRa是Semtech公司推出的一种新型超长距低功耗数据传输技术，其工作频段在1 GHz以下，采用线性扩频调制技术具有抗干扰、保密性强、抗多径效应等特点。其接收灵敏度高，解决了传统无线通信设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题，拥有广泛的应用前景[5]。

本文针对农田信息采集的实际应用需求，利用LoRa技术设计了一种农田信息采集系统。整个系统充分考虑了功耗、 成本以及系统稳定性等方面的要求，采用多频段TDMA接入方式，通过设计精简的低功耗硬件电路和高效率的无线通信协议，达到了功耗低，容量大，覆盖范围广的目的。并针对节点功耗，时隙长度以及链路质量方面展开实验研究。

1 系统结构

基于LoRa的无线信息采集系统用于实现农田信息的精准测量，其总体结构设计如图1所示，包括传感器节点、网关、服务器。网关负责网络的建立与维护，传感器节点通过无线方式申请入网，与网关建立通信连接。传感器节点分布在田间进行农田信息采集，并将采集到的信息发送至网关，网关将节点数据汇总后进行处理、存储，网关通过串口、以太网或GPRS与服务器相连。无线网络采用多频段TDMA(time division multiple access)接入方式，划分多个子网，在子网中每个网关与节点组建星型网络，节点周期性地将数据上传到网关，服务器通过调用网关数据对采集到的数据进行处理，分析每个接入节点的状态，并转换成有价值的信息，供用户访问使用，从而实现了农田信息的无线采集。

图1 系统结构图

2 无线网络设计原理及方案

2.1 网络设计指标

针对该农田信息无线采集系统自身特点,以及它的工作环境，系统网络设计的主要技术指标如下：

1)低功耗，由于传感器节点所处的工作环境需采用电池供电方式，能量有限，保证系统硬件正常工作和适当的传输距离，应尽量降低功耗，延长电池寿命。

2)远距离，由于农田现场地域广阔，通信距离的限制以及障碍物的遮挡等环境因素的影响使得传输质量变差，影响数据传输距离，需要无线通信有较强的抗干扰能力和较远的通信距离，提高网络覆盖范围。

3)易扩展，节点数据能够无线上传到网关，同时保证网络容量，应降低组网难度，提高组网效率，使用灵活，能够扩展到更多的应用领域。

2.2 网络结构设计

网络拓扑结构根据无线通信特点、应用需求进行设计。LoRa通信传输距离远、速率低。农业监测一般有以下应用需求：网络覆盖范围较大，节点数量较多，单节点数据量较少，但需要周期性发送监测数据，对数据的准确性要求高，实时性要求相对不高等。星型网络是各种网络拓扑结构的组网基础，它具有结构简单、延迟低、组网容易等特点，可以降低通信协议的复杂度以及整个网络的能耗[6]。本文选择星型拓扑作为无线网络基础结构，考虑到单个星型网络容量有限以及远距离的节点无法覆盖的问题，根据区域将系统划分成多个子网，每个子网分配独立的信道，相同信道的节点和网关组成星型结构的子网，可以降低信号间的相互干扰，扩充网络容量，增加覆盖范围。

LoRa传输速率低导致信道占用时间长且覆盖范围广，在一个星型网络中，节点间的数据碰撞会导致数据的丢失，极大地影响数据的传输效率。处理无线网络碰撞的方式有竞争和时分复用(TDMA)两大类，竞争方式是指节点在发送数据之前需要先检测当前信道是否空闲，若空闲则占用信道直接发送数据，否则直至检测到信道空闲为止。竞争方式具有灵活性高、简单、稳定等特点，适用于节点数量较少的小规模网络中，但是当网络节点数量增多且各节点发包频率增大时，信道会非常繁忙，致使数据传送率下降，同时长时间的信道监听会造成能量浪费。

时分复用是为网络中每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，而节点在其它空闲时隙内转入睡眠状态，这些特点很适合无线传感器网络的节能需求[7]。本文的星型网络采用竞争和时分复用相结合的方式，节点入网时采用竞争方式，入网后采用分时方式发送数据。

基于TDMA的网络必须建立网内同步，使各个设备工作在同一时间基准上。子网系统的同步时间以网关时间作为标准，采用单向同步机制减少通信开销。由于节点入网时间具有随机性，采用竞争方式发送入网申请，同一信道的网关收到入网申请后则即刻下发时间戳、工作周期、时隙分配信息给节点。节点收到时间戳信息后估算发送延时，调节本地时间完成时间同步，根据工作周期和时隙分配信息设置休眠及唤醒时间。

2.3 网络参数分析

时间同步会存在时钟误差，包括时钟偏差CS(Clock Skew)和时钟漂移CD(Clock Drift)，CS为同步建立之初，节点与网关的时钟偏差；CD为节点晶体振荡器的硬件差异引起的节点间的时钟相对漂移[8]。时钟误差可能随着时间的累积不断增大，节点的时钟误差tce为：

输水渠道内坡普遍采用混凝土板衬砌结构，输水运行期的水位变化和汛期地下水水位的变化对衬砌结构的影响是比较大的。在渠道管理运行过程中，应密切关注渠内外水位的变化，采取措施，控制渠内外水位差，减小渠道内外地下水压力对衬砌混凝土板的破坏作用，防止衬砌结构破坏，保障工程良好运行。

(1)

其中:f0为节点晶体振荡器的标称频率，f(t)是晶振在t时刻的实际频率，tcs为同步完成后的时钟偏差。

节点在时间同步完成之后进入休眠状态，在下一个工作周期所对应的时隙之前唤醒，假设网络为每个节点分配的时隙长度为Δτ，网关的时间为tg，节点同步后经过了N个工作周期T，节点i的数据发送时刻为：

ti=N·T+i·Δτ+tg+tce

(2)

数据包传输时间即信道占用时间为td，与数据包长度和物理层发送速度相关。当时钟误差累积到一定程度，相邻节点的数据发送时间间隔小于td时，数据包发送时间重叠便会产生无线碰撞，造成数据包的丢失。因此需要在时钟误差累积到一定值之前重新进行时间同步。

由于节点时钟误差和新节点的入网申请不可预测，每个节点划分的时隙长度必然要大于数据包的传输时间，假设新节点入网耗时为te。为使节点快速入网，这里定义时隙长度的最小值：

Δτmin=td+te+2max(tce)

(3)

一般来说数据包传输时间和新节点入网耗时固定不变，最小时隙由时钟误差决定。因此单个星型网络的节点容量为：

C=T/Δτmin

(4)

3 系统硬件设计

农田信息采集节点模块的硬件结构如图2所示，由主控芯片、无线芯片、传感器及其外围电路及扩展接口组成。可以实现对农田温度、湿度等多个物理量的获取，并通过射频单元将获取的农田信息发送给网关。节点还具有多路模拟数字扩展通道、RS232等扩展接口，可以根据实际需要进行使用。

图2 传感器节点结构图

主控芯片选用意法半导体ST推出的低功耗系列芯片STM32L053，其基于ARM Cortex-M0+的内核，最高主频32 MHz，配置了8 KB RAM和64 KB Flash，拥有丰富的外设资源。它具有1.71～3.60 V的宽工作电压，停止模式电流仅440 nA且具有全RAM 数据保存和低功耗定时计数器功能，唤醒时间仅需3.5 μs。满足一般农业环境下数据处理、存储和传输的要求。设计时使用外部8 MHz晶振作为时钟源，使用外部 32.768 kHz晶振作为RTC日历时钟源。

射频芯片SX1276采用的是Semtech的LoRa无线调制解调器，内置高效的循环交织纠错编码，工作电压1.8～3.7 V，最大链路预算可达168 dB，频率范围137～1020 MHz，有效比特率范围0.018～37.5 kbps，低至-148 dBm的接收灵敏度，最大射频功率20 dBm，9.9 mA的接收电流，200 nA的休眠电流。射频芯片通过SPI方式进行数据传输，并且有5个中断输出引脚，用于产生中断事件。

传感器采用数字温湿度传感器SHT11，是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，温度测量范围-40～123.8℃，湿度测量范围0～100%RH，工作电压2.4～5.5 V，休眠电流小于1.5 μA。采用双线串行接口与主控芯片进行通信。

网关采用的主控芯片和射频芯片与节点一样，不需要接传感器。为得到精确时间信息需增加一个GPS模块，根据实际需求选择串口、以太网或GPRS模块，将数据传送到服务器。

4 软件设计

4.1 节点软件设计

传感器节点程序主体流程如图3所示。大致分为以下3个步骤。1)节点入网及同步。节点在初始化之后进行入网过程，先进行信道检测，如果检测出信道空闲直接发送数据，否则等待一段随机时间后，再进行信道检测直至发送成功。节点在发送完请求数据后立即切换到接收模式，若接收到网关的响应数据则配置节点参数，否则重新发送入网请求。由于时钟的漂移造成同步误差增大，在入网成功后经过K个周期后需要再次进行时间同步。2)传感器数据采集与处理。节点完成入网后在相应的时间段内唤醒并完成传感器数据的采集和发送。发送前先进行一次信道检测，若信道占用则延时一个随机时间后直接发送。3)低功耗。由于节点一般使用电池供电，为了降低功耗，节点大多数时间处于低功耗状态。节点采用深度休眠设计，主控芯片进入停止模式，射频芯片、传感器均进入低功耗模式。

图3 节点软件主流程图

4.2 网关软件设计

网关初始化后根据GPS时间定期调整时钟，网关一般处于接收状态，当收到入网请求后立即获取本地RTC时间、工作周期、分配时隙信息并发送给节点，当收到同步请求后发送本地RTC时间，RTC时间信息精确到毫秒；当收到正常的温湿度数据后记录下当前时间、RSSI值等信息并将其进行存储处理，服务器通过Modbus协议对网关数据进行调用。网关主体流程如图4所示。

图4 网关软件主流程图

5 试验验证

LoRa的设置参数决定LoRa通信的实际特性，包括传输速率、接收灵敏度和覆盖范围。本文中LoRa网络工作频段选择780 MHz，带宽125 kHz，扩频因子为7。数据包长度为10，通过计算数据包传输所需时间td约为34 ms，入网同步耗时te约为70 ms，网关设置为最大发射功率20 dBm。利用逻辑分析仪测得时钟偏差CS一般小于50 ms，32.768 kHz的晶振误差最大为20 ppm，则时钟漂移CD最大约为72 ms/h，假设每小时进行一次时间同步则最小时隙约为350 ms。假设将每个节点时隙划分为1 s，周期T为60 s，则单个子网的节点容量为60。

5.1 节点功耗

无线节点采用3.7 V锂电池供电，射频芯片发射功率为14 dBm，可实现视离2 km，非视距500 m的通信距离。利用功率分析仪测得节点在入网完成后一个周期的电流状况如表1所示。可以发现数据发送所需电流最大，数据采集耗时最长。节点每小时进行一次时间同步时的接收电流为20.6 mA，耗时45 ms，周期T设为60 s。通过计算单个节点每天消耗的电量为2.96 mAh，可以实现低功耗长久工作。

表1 节点一个周期的电流消耗状况

5.2 链路质量特性

无线通信会受到各种因素的影响，链路质量的研究有助于及时了解网络的运行状况。RSSI的值是评估链路质量的重要指标，本系统通过改变节点与网关的距离，每次连续发送200个数据包，统计均值RSSI和包接收率。测得RSSI均值与包接收率的关系如图5所示。

图5 包接收率与RSSI的关系

由图5可知当RSSI的值大于-118 dBm时，包接收率稳定在0.9以上，为稳定区；当RSSI值小于-118 dBm时，包接收率随着RSSI的减小而减小，为非稳定区，将该点定义为拐点。RSSI值为-127 dBm时，包接收率接近0，将该点定义为零点。视距与非视距环境下包接收率与RSSI的关系相似，通过对比发现非视距环境下的拐点和零点对应的RSSI值较大，当RSSI值相同时，视距环境有更好的通信质量。拐点的值可以为子网划分提供重要的指导。

5.3 时隙选择

星型网络的时隙长度对网络容量和网内节点数据碰撞有着根本影响。为进一步测试网络可靠性，将系统接入最大节点数，且所有测试节点距网关近，通信质量好。改变时隙长度测得在5小时内整个网络的丢包率如表2所示。

表2 网络系统丢包率统计表

通过实验发现随着时隙长度的增加，丢包率呈现减小的趋势。当时隙长度大于500 ms节点能够实现快速入网，数据碰撞一般存在于新节点入网时，在所有节点完成入网后节点间的数据几乎没有碰撞，整个系统的丢包率小于5%，可以满足一般通信要求。但时隙长度过大也会造成信道资源的浪费，因此选择合适的时隙长度对于权衡网络的效率和容量非常重要。

6 结论

为了解决传统无线采集系统传输距离近、功耗高的问题，本文根据LoRa的无线传输特性及应用需求设计了一种多频段TDMA周期性无线采集方案，主要对多频段TDMA网络结构、子网低碰撞率实现方法和网络时隙长度选取方法进行了分析介绍。并对节点功耗、无线链路质量、时隙长度进行了测试，实验结果表明：利用STM32L0和SX1276的LoRa节点设计方案具有功耗低的优势；利用RSSI值可以快速判断链路质量状态；选择合适的时隙大小可以减小数据碰撞，提高网络容量。该系统覆盖范围广，功耗低，成本低，扩展性能好且具有较高稳定性，可以广泛应用于农业、工业等需要对信息进行大范围无线采集的领域，具有广阔的应用前景。