【《基于LoRa机制的无线自组网络设计案例》5500字】

基于LoRa机制的无线自组网络设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19816基于LoRa机制的无线自组网络设计案例 1191451.1无线Mesh网络的特点与分类 255731.2基于LoRa机制的无线Mesh网络 754141.1.1LoRa组网技术的实现 7145831.1.2通信节点的合理布置设计 9242791.3网络通信接力协议的设计 1150351.3.1窄带网络通信节点的设计 11129311.3.2窄带网络基站的设计 12194411.3.3通信接力协议的报文规范 131.1无线Mesh网络的特点与分类无线Mesh网络的中文意思是网状网的意思，它是无线自组网络的一种，是网络领域经常应用和谈论的话题，网状网络最开始应用于军事领域，后来随着时代技术的发展，网状网络的应用范围进一步扩展，现在的局域网和广域网中都有用到无线Mesh网络，无线Mesh网络越来越成为网络的主力军。无线Mesh网络具有表2-1的主要特点:自组织、基础设施少、拓扑结构灵活变化。表2-1无线Mesh的特点参量特点自组织无需规划。因此，无法控制覆盖范围和干扰环境。这一点与典型的蜂窝网刚好相反。这会直接导致一些服务质量问题基础设施所有提供的功能都Mesh网络内，这些功能包括功率控制、路由、计费、管理、安全等。没有像基站那样的中心控制单元，也没有蜂窝网络中的安全和认证中心移动性网络节点可以自由移动，甚至可以消失，因此，网络的链接是动态的无线为了支持移动或避免基础设施，无线运行是必须的。无线链路的传输质量比有线链路差，分组包丢失在无线网络中很常见，当有线的网络传输协议使用在无线网络时，可能会产生错误的响应中继所有节点都需要中继其它的信息。这将减少每个节点用户的可用宽带。路由所有节点都需要参与路由。可以主动地维护路由表，或者按需要创建（也可能路由表中缓存）。路由会产生开销，这将依赖于协议，业务和节点的移动性。多跳中继和路由的必然结果，多跳可以扩大覆盖，特别是在传播环境复杂的场景异构性除了Mesh网络的基本操作外，所有的节点的性能并非全部相同。一些节点可能有额外的网络连接（即接入Mesh网中的外部链接）无线Mesh网络有以下三种基本的网络类型：纯粹Mesh网络、混合Mesh网络和接入Mesh网络ADDINNE.Ref.{DB77A6BF-383D-4EAE-ACC6-30FF5009EEA0}[29]下面来简单介绍一下三种Mesh网络类型①纯粹Mesh网络：纯粹Mesh网络中的所有业务都是在Mesh网之内，Mesh网络是孤立的，所有业务都是通过单一网络节点中继的，所有无线Mesh网络终端都是可以充当路由器的ADDINNE.Ref.{38C3A423-BBB4-4FCD-BBD5-0933AB3C9747}[30]。图2-1纯粹Mesh网络②混合Mesh网络：在Mesh网络之上有其他的网路与它连接在一起，并进行远距离传输传输业务图2-2混合Mesh网络③接入Mesh网络：如同混合Mesh网络，接入Mesh网络的节点信息来自其他的网络，其他的网络接入到Mesh网络之中。图2-3接入Mesh网络无线Mesh网络与传感器网络RFID(RadioFreguencyIdentification)网络（无线电射识别网络）等对比，从表2-2中可以发现，Mesh网络节点的传输范围大，移动性强，RFID网络节点和无线传感网络节点的传输范围小，网络节点是不能移动的，尽管RFID网络比无线Mesh网络的鲁棒性更好，Mesh网络的成本比FRID网络的电子标签、无线传感网络的网络节点成本比无线Mesh网络基础设施成本更低，无线Mesh网络表现出稳健的鲁棒性。综合以上原因，本文选择Mesh网络来进行海洋数据的传输。无线Mesh网络的节点虽然是静止的，但是目标节点与源节点一但确定，目标节点与源节点之间可以确定多条路径，通过合适的算法对路径进行优化，可以打达到传输路径优化的效果。这种网络有利于进一步规划。无线传感网络是是有大量的传感器构建的网络，可以进行数据的传输，它可以适应海洋的多盐多湿的恶劣环境，获取的数据具有实时性、准确性和全面性。无线传感网络是大面积的获取数据，数据具有代表性，如果无线传感网络因为某些传感器的节点受到破坏，无线传感网可迅速组网，形成新的链路。以上三种网络在都可以应用在海洋自组网领域，对海洋的数据进行传输，但是他们有有一个共同的缺点，每个网络节点的能量是有限的，一旦一个网络节点的能量消耗完了，整个网络的拓扑结构就会发生变化，海洋上的无线传感网络节点有微型浮标充当，体积非常小，携带的电源是有限的，电源消耗完了，就对整个无线自组网络的拓扑结构产生了一定的破坏。表2-2无线Mesh网络与其他网络的对比RFIDMesh网络无线传感网络简单RFID价格低价格贵低成本不需要电源电源性能好，可充电电源资源有限非网络，需要识别器多功能单一功能处理数据的能力有限可以运行网络大数据只能进行小规模数据的采集与传输有源RFID传输范围中等传输范围大传输范围小可嵌入其他的系统手持或更大体积体积小不能移动移动性强不能移动1.2基于LoRa机制的无线Mesh网络1.1.1LoRa组网技术的实现LoRa窄带自组网络为LoRa自动组成局域网形式，其特点是组网快速，方便、成本低、功耗小，只需要在高架处架设窄带网络基站，各个基站可以实现方圆10km范围的无盲区的信号覆盖，同时在移动终端的范围内，可以对移动终端的数据进行获取并传给服务器数据库。比如LoRa组网在船舶数据的获取，在船舶终端安装窄带物联网船载终端，实现基站覆盖范围内所有船舶位置信息可视。窄带物联网船载终端内村春着船舶的唯一识别码，该模块配置的北斗及GPS双模块，可实时将所在船舶ID号及经纬度由自组网络传输到云端，同时窄带网络模块还可与船上各类传感器结合，采集更多有用的数据，如航速、转速、油耗等。管理人员可通过手机、电脑等设备实现对自组网络范围内渔船轨迹查询、渔船异常报警等功能。LoRa窄带物联网属于局域网，具有设备功耗低，成本低，组网快速，数据传输距离长的特点，所以适合局域港湾的船舶监测和小型渔船在局域近海捕捞作业。只有窄带无线自组网络成功组网后，才能够对无线自组网络的路径进行优化传输。整个窄带网络有数据采集层、传输层和应用层三个部分组成，LoRa窄带自组网技术框架如2-4所示。图2-4LoRa机制的窄带自组网（1）数据采集层：数据采集层主要有基站，可移动的微型浮标组成，基站配备包含电控开关，插座，导轨式电源适配器，采集器、以太网连接路由、LoRa接收模块、LoRa天线；天线采用50cm大功率天线。基站运行通LoRa接收模块实时接收监听信号覆盖区域的船舶信号；（2）传输层：传输层主要有服务器，基站将传输层的数据信传输给服务器，服务器对数据进行处理（3）应用层：应用层采用服务器中的数据对船舶、浮标等可移动的物体进行实时监控、轨迹跟踪。将传感器采集的数据进行数据发掘和处理，为海洋生活和生产提供资讯。从表2-3和表2-4中看出，LoRa网络和其他的非授权频谱的网络对比可以看出，lora网络在传输距离、上下行对称性、数据速率、最大节点数等方面都有很大的优越性。LoRa机制具有157dB链路预算，在LoRa机制下的通信距离大于15公里，具有远距离的优势，LoRa使用最小的基础设施成本，使用网关、集中器扩展系统容量，易于建设和部署，LoRa的电池寿命大于10年，接受电流为10mA，休眠电流小于200mA，可以充分达到延长电池寿命的目的ADDINNE.Ref.{ADAC819F-4FD7-400B-9AB9-749BFB7025C1}[31]。LoRa机制的低成本还表现在免牌照的频段、基础设施成本低、节点或终端成本低。表2-4基于非授权频谱的LPWAN主要技术特点对比LoRaSigFoxNWaveTelensaPlatanusWeightless-N距离/km15-45（空旷）40（乡村）10最高8数百米5+15-22（郊区）10（城市）3-8（城市）频率/MHz433/470-510：868,902Sub-GHz868,915:Sub-GHzSub-GHz86，902-928470（中国）上下行对称性否否否是否仅上行数据速率（bps）0.3k-50k100100低速500k30-100k运营模式公开或私有公开公开或私有公开公开或私有公开或私有1.1.2通信节点的合理布置设计网络节点基站布置距离的选择不仅决定窄带网络的通信范围，影响网络拓扑结构，增加节点布置成本，从而影响窄网络节点的冗余度，造成不要的浪费，对通信节点的布置距离进行设计，可以有效的规划网络的拓扑机构，有利于LoRa机制的组网的实现，提高效率，节约资源。现在本文设定窄带物联网基站信号的覆盖半径R=10km，如下图所示：图2-5相邻基站的布置1、如图2-5（a）所示，如果假设相邻基站按信号覆盖半径重叠及最大距离之和的中间距离布置，相邻基站的间距为15km。相邻基站信号盲区（阴影部分）面积为31.18平方米=2×15.59平方米。该布置方案基站间距及信号盲区属于可接受范围。2、如图2-5（b）所示，如假设两个基站最大间距为20km，相邻基站信号盲区（阴影部分）面积为85,。84平方米=2×47.92平方米。该布置方案盲区面积大，增加监控难度。3、如果相邻基站最小间距为10km，基站布置原则按信号覆盖半径重叠，相邻基站信号盲区（阴影部分）面积为8.68平方米=2×4.32平方米。该布置方案信号盲区小，但基站布置间距小，不经济，显然不可取。4、如图2-5（c）所示，如假设相邻基站信号覆盖半径组成的圆的内接正方形的边长布置，相邻基站的间距为14.14km，相邻基站信号盲区（阴影部分）面积为25.76平方米=2×11.28平方米。该布置间距为基站间距及其相邻基站信号盲区面积变化分界点，如加大基站间距，信号盲区面积加大，但所需布置的基站会增加。综上所述，单个基站覆盖范围为半径10km,相邻区域建议相邻基站布置间距可选为14.14-15km。然而，在有遮挡的地区覆盖范围会有所缩减，在有大山或大楼遮挡的情况下可保证覆盖距离大于5km，为了实现要监测的陆地或海洋区域全覆盖，要考虑30%的基站冗余量。1.3网络通信接力协议的设计1.3.1窄带网络通信节点的设计窄带网络通信节点模块采用STC系列，8位机设计。配置NB_IOT通信机制，可以建立设备端与NB_IOT基站间无线传输网络，可以主动发送，可以轮询访问。通过RS-485接口与设备端通信，采集数据。这类网络节点的实物图如图2-6所示和技术参数如表2-5所示。图2-6网络通信节点模块芯片实物图表2-5网络通信节点模块的技术参数性能参数CPU8位机板上通信接口1个TTL或1个RS-485扩展通信模块NB_IOT无线通信模块无线通信距离依据运行商部署基站而定电源5V/500mA供电应用场合设备与服务期间地快速上传数据1.3.2窄带网络基站的设计窄带网络基站也是网络通信节点的一种，基站核心控制器主要采用ARM系列，32位机设计。配置433M通信模块，可以与设备433M节点模块组成无线传输网络，具有TCP/IP或4G通信协议，可与服务器通信；且具有大容量数据储存功能，支持参数配置和断点续传，数据协议采集与转换、时钟检验、记录存储等功能。窄带网络基站由自主研发的数据采集网关和窄带物联网LoRa节点模块组成，配备包含接电空气开关、插座、导轨是电源适配器、采集器、以太网连接路由器、LoRa接受模块、LoRa天线；天线采用50cm大功率天线、可覆盖半径超过10公里。基站运行通过LoRa接收实时监听信号覆盖区域的船舶、浮标的信号，接收到信号后通过以太网网络将信息汇总并上报后台服务器，在服务器上进行数据处理。基站可分为外壳不防水的室内基站，外壳防水天线外置的室外基站，防水天线外置的船用基站，船用基站可直接用直流电源12V或直流电源24V。窄带物联网基站采用433MHz范围跳频干扰，可接入各类LoRa应用节点，实现链路安全，压缩等功能。支持3G/4G/5G及以太网，支持基站间高精度时钟同步，基站可以实现对各个各个节点设备数据采集、数据解析、数据传输等功能，具有大容量数据存储功能，支持参数配置和断点续传。图2-6窄带网络基站实物图设计的窄带网络基站是具有处理32位数据的CPU的芯片，具有128MB的数据储存空间，板上有4路RS-485接口，1路RS-232接口，1路RJ45接口，还有其他的可拓展GPRS接口，配置北斗双模模块，双通道LoRa传输。这类基站主要支持数据采集、数据上传、数据断点续传和数据存储能力，数据储存空间大小为64M，支持时钟自校验。天线长度为500mm，在空旷处的无线通信距离可达到15公里，市区环境可达到8公里，单个网络节点的响应时间为50ms，适合组建局域无线通信网络。这类基站可以外部220v交流供电，也内含两个直流电源DC-5V和DC-12V。终端响应信号带电电池容量监测可实现终端异常报警；LoRa信号实现发送加解密确保信号安全，基站单通道每分钟可靠通讯60个节点，可采用分频多通道可实现5通道300个结点通讯。1.3.3通信接力协议的报文规范海洋中接力与接力浮标之间的通信协议都是采用Modbus通信协议。Modbus协议是电子通信控制器的通用语言，通过他可以实现控制器之间、控制器与其他设备之间的通信。该协议定义了消息结构。无论控制器通过哪个网络通信，他们都可以识别相互通信。Modbus通常有ASCII模式和RTU模式，ASCII模式先校验高字节的数据、后校验低字节的数据；RTU模式校验的是低字节的数据，后校验的是高字节的数据。他们二者采用的数据校验方式也不一样，本文采用的是RTU模式，使用CRC校验。这种模式传输数据时将8位数据分成两部分，每部分都是一个16进制的字符。设计的通信接力的主程序如附录所示。协议采用半双工的应答方式进行数据的传输，这就是主从机两个设备进行通信时，一个主设备请求信号，在主设备发出请求消息后，从设备将进行响应状态，准备将数据传输给主设备。在同一个时间段，主从设备两个网络通信节点有一个接受数据或发送数据的动作，不能够两个动作同时进行。两个网络通信节点之间的传输的数据规范为主机发送的报文格式如表表2-6所示，当不同的从设备响应时有不同的报文格式，微型浮标的报文格式如表2-7所示，渔船和渔排按照与微型浮标的移动性不同，可以按照周期向基站汇报数据，鱼排标识为04周期5天发送一次，渔船标识为06周期5分钟发送一次。渔