基于LORA的無(wú)線(xiàn)廣域物聯(lián)網(wǎng)應用系統設計

本文采用LORA點(diǎn)對點(diǎn)通信及相應的軟件設計，用匯聚節點(diǎn)+通信模塊上云的方式替代LORA****的方案設計廣域無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用，設計了終端節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)及服務(wù)器平臺軟件，實(shí)現了節點(diǎn)數較少的無(wú)線(xiàn)廣域物聯(lián)網(wǎng)應用的經(jīng)濟實(shí)用方案。

1 總體設計

典型的基于LORA的物聯(lián)網(wǎng)應用系統是通過(guò)LORA終端向LORA****發(fā)送數據，再由LORA****通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數據上云[3][4]，本文設計的應用系統采用LORA終端點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，在擔任匯聚節點(diǎn)的終端中添加Wi-Fi通信模塊，通過(guò)Wi-Fi模塊完成數據的上云工作，這樣做成本更低，部署更簡(jiǎn)單。我們再通過(guò)設計自己的服務(wù)器平臺通過(guò)云平臺的API接口獲取監測數據，系統架構圖1所示。

2 硬件系統設計

2.1 LORA終端節點(diǎn)硬件設計

終端節點(diǎn)由MCU、傳感器單元、電源模塊、LORA通信模塊、SWD調試模塊等構成，MCU采用STM32F103系列的芯片，該芯片應用廣泛，成本較低。Lo Ra通信單元主要采用Semtech公司的SX1278射頻芯片實(shí)現Lo Ra數據的傳輸。整體構造如圖2所示。

2.2 LORA匯聚節點(diǎn)硬件設計

LORA匯聚節點(diǎn)擔負收集傳感數據和將數據上傳到云端的功能，在硬件結構上比終端節點(diǎn)多了一個(gè)WIFI模塊（或者4G模塊），其他結構和終端節點(diǎn)一樣，這里不在贅述。

3 軟件系統設計

軟件系統包括：終端節點(diǎn)軟件和匯聚節點(diǎn)軟件，匯聚節點(diǎn)通過(guò)通訊模塊連接到云平臺（機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺[5]），依賴(lài)云平臺快速開(kāi)發(fā)出系統的WEB應用端。

3.1 終端節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)軟件設計

終端節點(diǎn)采集傳感器數據，并將采集的數據通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)的方式發(fā)送到匯聚節點(diǎn)，在終端節點(diǎn)發(fā)送給匯聚節點(diǎn)的數據報文中包含終端節點(diǎn)的編號、傳感器類(lèi)型等信息。匯聚節點(diǎn)在接收到終端節點(diǎn)發(fā)送的報文后，檢查報文中的節點(diǎn)編號、傳感器類(lèi)型等信息分別通過(guò)通信模塊上報的物聯(lián)網(wǎng)云平臺。終端節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)的軟件流程圖如圖3、圖4。

由于所有的終端節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)都是采用點(diǎn)對點(diǎn)通信，因此必須設計一套終端節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)之間的通信協(xié)議，以便匯聚節點(diǎn)能夠識別各個(gè)終端節點(diǎn)發(fā)送的數據。我們設計了一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議格式。該協(xié)議的數據格式如表1。

圖一：系統總體結構圖

圖二 ：終端節點(diǎn)硬件結構圖

為了提高數據通信的可靠性，2個(gè)字節的地址編碼我們只采用了如表2的地址。

即除了匯聚節點(diǎn)外，每個(gè)終端節點(diǎn)的地址編碼只能是2n，可以容納16個(gè)終端節點(diǎn)，通過(guò)冗余便于節點(diǎn)檢查地址編碼傳輸是否出錯。這樣做的代價(jià)較大，可以通過(guò)實(shí)際部署環(huán)境的實(shí)際通信狀況修改地址編碼的方法，提高通信的效率。傳感器類(lèi)型的編碼可以參考地址編碼的方法，這樣就可以部署8種不同類(lèi)型的傳感器，如果需要部署的傳感器類(lèi)型超過(guò)8個(gè)，可以根據實(shí)際的通信狀況改變傳感器類(lèi)型編碼方法或者增加傳感器類(lèi)型字段的長(cháng)度。數據校驗碼我們采用數據+數據字段長(cháng)度的算術(shù)和。在系統的部署測試中，我們設計的這套簡(jiǎn)單通信協(xié)議能夠支持系統的穩定運行。

3.2 服務(wù)器平臺設計

我們將設備接入了機智云Aiot開(kāi)發(fā)平臺，基于機智云的Open API接口，我們設計了系統的服務(wù)器平臺。我們的服務(wù)器平臺基于Springboot[6]設計，平臺模塊包括：用戶(hù)管理模塊、設備管理模塊、數據呈現模塊。該平臺的功能可以繼續擴展。

(1）   用戶(hù)管理模塊在本服務(wù)器上實(shí)現用戶(hù)的注冊、登錄、修改、刪除等功能，使用shiro框架進(jìn)行權限管理，通過(guò)調用機智云的用戶(hù)管理API完成機智云用戶(hù)的創(chuàng )建、登錄等功能。

(2）   設備管理模塊通過(guò)調用機智云的綁定管理API實(shí)現設備的綁定、解綁等功能。

(3）   數據呈現模塊設置了定時(shí)任務(wù)，定時(shí)任務(wù)會(huì )定時(shí)從機智云獲取設備的狀態(tài)、傳感器數據等信息保存到本地數據庫，并通過(guò)Echarts可視化庫將數據呈現在Web端。

4 結語(yǔ)

LORA****目前的價(jià)格普遍在幾百元至上千元之間，本研究采用LORA匯聚節點(diǎn)匹配相應的軟件設計替代LORA****實(shí)現遠距離無(wú)線(xiàn)通信，在監測節點(diǎn)數量較少（10個(gè)以下）的應用中可以顯著(zhù)減少硬件成本，是一種經(jīng)濟實(shí)用的LORA應用方案。

表1：協(xié)議的數據格式

表2:2個(gè)字節的地址編碼

圖3終端節點(diǎn)程序流程圖

圖4：匯聚節點(diǎn)程序流程圖

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