基于LORA的無線廣域物聯網應用系統(tǒng)設計

發(fā)布人：Gizwits 時間：2021-12-20 來源：工程師

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本文采用LORA點對點通信及相應的軟件設計，用匯聚節(jié)點+通信模塊上云的方式替代LORA****的方案設計廣域無線物聯網應用，設計了終端節(jié)點、匯聚節(jié)點及服務器平臺軟件，實現了節(jié)點數較少的無線廣域物聯網應用的經濟實用方案。

1 總體設計

典型的基于LORA的物聯網應用系統(tǒng)是通過LORA終端向LORA****發(fā)送數據，再由LORA****通過網關將數據上云[3][4]，本文設計的應用系統(tǒng)采用LORA終端點對點通信方式，在擔任匯聚節(jié)點的終端中添加Wi-Fi通信模塊，通過Wi-Fi模塊完成數據的上云工作，這樣做成本更低，部署更簡單。我們再通過設計自己的服務器平臺通過云平臺的API接口獲取監(jiān)測數據，系統(tǒng)架構圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 LORA終端節(jié)點硬件設計

終端節(jié)點由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射頻芯片實現Lo Ra數據的傳輸。整體構造如圖2所示。

2.2 LORA匯聚節(jié)點硬件設計

LORA匯聚節(jié)點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(jié)點多了一個WIFI模塊（或者4G模塊），其他結構和終端節(jié)點一樣，這里不在贅述。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)包括：終端節(jié)點軟件和匯聚節(jié)點軟件，匯聚節(jié)點通過通訊模塊連接到云平臺（機智云物聯網云平臺[5]），依賴云平臺快速開發(fā)出系統(tǒng)的WEB應用端。

3.1 終端節(jié)點、匯聚節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點采集傳感器數據，并將采集的數據通過點對點的方式發(fā)送到匯聚節(jié)點，在終端節(jié)點發(fā)送給匯聚節(jié)點的數據報文中包含終端節(jié)點的編號、傳感器類型等信息。匯聚節(jié)點在接收到終端節(jié)點發(fā)送的報文后，檢查報文中的節(jié)點編號、傳感器類型等信息分別通過通信模塊上報的物聯網云平臺。終端節(jié)點和匯聚節(jié)點的軟件流程圖如圖3、圖4。

由于所有的終端節(jié)點和匯聚節(jié)點都是采用點對點通信，因此必須設計一套終端節(jié)點和匯聚節(jié)點之間的通信協(xié)議，以便匯聚節(jié)點能夠識別各個終端節(jié)點發(fā)送的數據。我們設計了一個簡單的協(xié)議格式。該協(xié)議的數據格式如表1。

圖一：系統(tǒng)總體結構圖

圖二：終端節(jié)點硬件結構圖

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

即除了匯聚節(jié)點外，每個終端節(jié)點的地址編碼只能是2n，可以容納16個終端節(jié)點，通過冗余便于節(jié)點檢查地址編碼傳輸是否出錯。這樣做的代價較大，可以通過實際部署環(huán)境的實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種不同類型的傳感器，如果需要部署的傳感器類型超過8個，可以根據實際的通信狀況改變傳感器類型編碼方法或者增加傳感器類型字段的長度。數據校驗碼我們采用數據+數據字段長度的算術和。在系統(tǒng)的部署測試中，我們設計的這套簡單通信協(xié)議能夠支持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.2 服務器平臺設計

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

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

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

(3）數據呈現模塊設置了定時任務，定時任務會定時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Echarts可視化庫將數據呈現在Web端。

4 結語

LORA****目前的價格普遍在幾百元至上千元之間，本研究采用LORA匯聚節(jié)點匹配相應的軟件設計替代LORA****實現遠距離無線通信，在監(jiān)測節(jié)點數量較少（10個以下）的應用中可以顯著減少硬件成本，是一種經濟實用的LORA應用方案。

表1：協(xié)議的數據格式