【《基于LoRa无线传感网络的温湿度采集系统性能测试与实验结果分析案例》3800字】

基于LoRa无线传感网络的温湿度采集系统性能测试与实验结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u139791.1测试步骤 244381.2系统调试 327001.3LoRa无线通信模块测试 3系统能够在复杂环境中覆盖面为2.5km内正常通行，完成对多个不同终端温湿度的采集、显示及网关汇总。在无遮挡物空旷的环境下，系统能够在3km范围内正常完成多点通信和单点通信。本设计在无线通信的数据传输成功率以及系统功耗等方面均有提高，大大降低系统设计成本，完美的兼顾了系统性价比与优越的性能，能够广泛应用于各种实际环境中。下面为系统分别在室内及室外环境实时数据采集工作图：图5-1系统室内环境实时数据采集工作图图5-2系统室外环境实时数据采集工作图论文的前面几个章节详细的介绍了基于LoRa技术的无线温湿度采集系统的整个系统架构、系统软硬设计。本章节系统测试分为各个模块实际电路调试与LoRa无线通信模块的性能测试，其中测试的重点分为本设计的无线传感网络的通信成功率、数据丢包率、传输距离以及各个模块的具体功耗。1.1测试步骤基于LoRa的温湿度采集系统的整个测试分为两个部分硬件与软件，首先按照前面所设计的系统电路图，对各个元件进行焊接，留意正负极性，引脚的位置，并且检查整个电路是否存在虚漏焊的情况。对整个硬件系统进行调试，采用先分后总，对各个小模块进行分段分步骤调试，看是否能够正常运行，完成相应的功能，然后再对整个系统进行测试看是否能够满足整个设计的要求。基本步骤如下：(1)本次设计一共分为三个模块，一个接收端，两个发送端，整体的设计电路图基本上没有太大的区别，只是接收端相比于发送少一个温湿度传感器。因此，首先检测发送端，而STC89C51单片机作为系统的大脑测试引脚的正确性，同时检查是否可以进行正常的烧入和控制作用。(2)其次，检查LoRa模块是否能发送信息，LCD液晶显示模块是否能显示数据，传感器是否能对温湿度进行准确采集，一定要确保正负极不能反接，避免造成短路烧坏整个电路。(3)进行试验，将整个系统连接在一起，检查是否能正常运行。(4)发现其中的问题，并进行改进。1.2系统调试在系统进行测试之前，需要对系统中的各个模块进行调试，其中硬件电路有电源管理模块、SX1262芯片的射频电路、LCD液晶显示电路以及STC89C51单片机控制电路。系统进行调试的第一步是完成各个模块的实际电路的搭建与功能测试。以文章前面所介绍各个模块相互连接方式及实际原理图的基础上，完成系统实际电路的搭建，在此过程需注意一下情况：（1）通过万用表上的数据的，来表明各个实际模块是否真正与电路板相连接。（2）按照事先设计好的电路图，对各个模块进行摆放焊接。各个模块引脚的顺序方向。按照程序是否能实现各个模块具体功能测试。1.3LoRa无线通信模块测试1.3.1LoRa无线通信模块组网测试本设计的LoRa无线通信模块所采用的传输模式为透明传输，其通信信道为23，通信频段为433MHz，组网能力的强弱对系统实现有着举足轻重的地位，为了实现多点通信设置终端1、终端2及网关，网关汇聚节点作为主机，固定不动，终端采集节点1、终端采集节点2作为从机，根据无线组网通信协议共同完成LoRa无线通信模块组网测试。因为终端采集节点的增加，那么信号通信的成功率就会有所下降，通信距离也很不稳定，为了保证系统的通信稳定性和安全性，并不是终端采集节点设置得越多越好。首先测试LoRa无线通信模块，系统运行时为定点传输模式，终端采集节点与网关汇聚节点需要互相通信，因此LoRa无线通信模块测试分为网关汇聚向终端采集节点传输数据和终端采集节点向网关汇聚节点传输数据。将采集的数据实时发送到，将网关汇聚节点通过串口方式与PC机相连，终端采集节点接收和发送的信息通过XCOMV2.0串口调试助手进行显示。定点模式参数设置中，前两个字节是LoRa无线通信模块的具体地址，第三个字节是传输过程中信道位置，第五个字节为模块所工作的具体模式，将其设置在定点传输模式。图5-3定点模式参数设置在定点模式中，发送端与接收端的通信信道最好选择不同，避免同时发射时，相互干扰。终端设备1向网关汇聚节点发送数据：将源地址设置为0001，目的地址设置为0002,发射内容为aabbcc，所使用02号通信信道：图5-4采集节点1发送数据网关汇聚节点向终端设备1发送数据：将源地址设置为0002,目标地址设置为0001,发射内容为aabb3f，所使用01号通信信道：图5-5网关汇聚节点发送数据1.3.2LoRa无线通信距离由于实验条件有一定的限制，LoRa无线通信过程中会受到天气、高层建筑的阻碍等因素影响，因此本实验测试LoRa无线通信距离和数据丢包率是有信号遮挡物的情况下进行，对LoRa终端采集节点与网关汇聚节点之间进行通信距离的测试，LoRa通信模块组成的无线传感器网络，其拓扑结构为星型结构，实现点对点的通信。本系统由一个网关汇聚节点和两个终端采集节点组成，系统发送与接收端端每隔30s传输1000个数据包。（1）首先测试网关汇聚节点1与终端采集节点2之间的通信距离和数据丢包率的情况，将网关汇聚节点1放在固定的位置不动，通过移动终端采集节点2，经过测试，结果显示如下表5-1所示。表5-1LoRa点对点通信距离测试测试环境无遮挡空旷地有建筑物遮挡通信距离/mRSSI/dBm通信成功率RSSI/dBm通信成功率300-40100%-43100%600-43100%-46100%900-47100%-48100%1200-50100%-51100%1500-53100%-54100%1800-55100%-5799%2100-5699%-6398%2400-5899%-6997%2700-6198%-7496%3000-6597%-7695%图5-5LoRa通信距离与RSSI、通信成功率关系根据上表，可以将通信距离与数据传输速率两个参数绘制出关系曲线，在测试过程中是有障碍物的情况下，终端采集节点和网关汇聚节点之间的通信距离越远，其数据传输成功率就会降低。当两者之间的通信距离在3km之内，数据传输成功的几率为95%以上，查看LoRa无线射频芯片SX1262用户手册中可知，在无任何因素的干扰下，其覆盖范围最远可至5km。但由于受到现实实际应用场景中各种因素的制约影响，并不能达到此种状态。在测试距离为3km时无遮挡空旷地的RSSI为-65，有建筑物遮挡的RSSI为-76与参考文献27王筝所做的实验进行对比，其在相同的实验条件下的RSSI分别为-83和-115，有着一定的提升。1.3.3LoRa无线通信数据丢包率测试LoRa无线通信的数据丢包率能够直接衡量实际网络性能，传输数据包大小、信号的发射频率、以及网络覆盖范围等因素对LoRa无线通信模块的丢包率有着显著的影响。根据前面1.3.2小节对LoRa无线通信模块通信距离的测试，可以得出在设计的实际应用场所中，由于环境中障碍物、天气好坏等因素的影响，当无线通信距离在2km以内时，无线通信的数据传输成功率能够达到98%以上，网络覆盖范围与数据通信通信成功率成反比。将实验环境应用在现实生活中，网络区域为3km之内，满足在校园环境实际场景中的要求，性能测试分为单个采集节点与多个采集节点，设置数据包的长度分为15和30个字节，传输总数为1000个。（1）单点通信在楼宇密集的现实环境中，只需一个终端向网关发送数据，具体结果如下，将数据包对无线通信模块数据丢包率的影响画出折线图，如下图所示。表5-2单点丢包测试结果测试环境数据包15个字节数据包30个字节通信距离/m接收数据包数丢包率接收数据包数丢包率30010000%10000%60010000%10000%90010000%9980.2%12009960.4%9950.5%15009930.7%9910.9%18009901%9891.1%21009851.5%9831.7%24009831.7%9802%27009802%9752.5%30009703%9653.5%图5-6不同数据包下丢包率测试结果从表5-2和图5-6中可以知道，无线通信传输数据包的大小对其接收数据包数目的多少有明显的影响，当传输距离一定时，数据包的大小与数据丢包率成正相关，因为在无线通信过程中，发送时间间隔的长短与数据包的大小成正比，导致无线通信成功率的下降。与陶园此人做的实验进行比对，其实验环境为空旷地区且传输数据包大小为20字节，当传输距离为3km时，接收帧数为899，丢包率达到了10.1%，本人所做的实验对此有了一定的提升[48]。（2）多点通信在楼宇密集的现实环境中，需要选择两个终端和一个网关，组成一个无线通信传感器网络，不同终端分别同时向网关汇发送所采集的温湿度数据。无线通信测试结果如下表所示，并将无线通信距离与传输数据丢包率的变化趋势绘制出折线图，如下图所示。表5-3多点通信丢包率测试测试环境接收到数据包数丢包率通信距离/m节点1节点2节点1节点2300100010000%0%600100010000%0%9009979980.3%0.2%12009949930.6%0.70.94%1.5%21009809832%1.7%24009779752.3%2.5%27009729702.8%3%30009659603.5%4%图5-7多点通信丢包率测试从上表所测数据可知，在系统所处校园及温室大棚具体应用场景下，当覆盖范围为1.5km之内时，系统通信成功率在99%以上，当覆盖范围为3km之内时，系统通信成功率在95%以上。随着网络范围的不断扩大，系统通信成功率不断下降，同理传输数据丢包率不断上升，两个终端采集节点与网关汇聚节点之间的无线通信传输数据丢包率的变化也大致一样。从表5-2和表5-3中所得到的测试数据可以对比出，多采集节点传感网络比单采集节点传感网络，系统通信成功率要低。因此，在实际应用环境中，要合理设置无线传感网络的覆盖范围及降低传输数据包的大小，达到最佳的传输效果。1.3.4LoRa无线通信模块功耗测试本设计在各个模块选型和电路设计主要就是围绕着传输距离远和系统功耗低两个目标来进行的。因此需要对LoRa模块的SX1262无线射频芯片在发射、接收、休眠等模式下实测功率的大小。实验所需的仪器设备有万用表、示波器、3.3V的电源、负载电阻等，其具体电路原理如下如下所示。图5-8LoRa无线通信模块功耗测试原理示意图在LoRa无线通信模块功耗测试时，将系统运行在各种模式下，其具体功耗大小如下表所示。表5-4LoRa无线通信模块各个模式功耗表模式