王毅鴻 凌朝東

摘要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，從無線應(yīng)用開發(fā)和工程運(yùn)維人員角度來看，傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)在各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用方面不能同時(shí)兼顧遠(yuǎn)距離和低功耗等問題，漸漸不能滿足我們的需求。LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRa技術(shù)對于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。該文針對LoRa無線通信技術(shù)，將LoRa技術(shù)運(yùn)用于數(shù)字對講機(jī)無線通信，提出借助智能手機(jī)和藍(lán)牙技術(shù)，構(gòu)建多功能數(shù)字對講機(jī)解決方案，可用于無人區(qū)等無網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：LoRa ；數(shù)字對講機(jī) ；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）14-0027-03

Abstract： With the continuous development of the Internet of things applications， from wireless application development and engineering operations staff perspective， the traditional transmission technology in the application of the Internet of things industry cannot both distance and low power consumption， gradually can not meet our requirements. LoRa is one of the LPWAN communication technologies， which is a remote wireless transmission scheme based on spread spectrum technology adopted and popularized by Semtech company.LoRa technology provides users with a simple system to realize long-distance， long battery life and large capacity， and then extend the sensor network， for the compromise of transmission distance and power consumption.LoRa wireless communication technology， the author of this paper， the LoRa technology used in digital radio wireless communication， put forward with the aid of smart phones and bluetooth technology， construction of multi-function digital intercom solutions， can be used in the no man's land， and other areas have no network.

Key words： LoRa； digital intercom； wireless network technology

1 引言

長期以來，擴(kuò)頻通信主要用于軍事保密通信和電子對抗系統(tǒng)，隨著世界范圍政治格局的變化和冷戰(zhàn)的結(jié)束，該項(xiàng)技術(shù)才逐步轉(zhuǎn)向”商業(yè)化”。傳輸任何信息都需要一定的帶寬，而隨著無線通信的廣泛應(yīng)用，無線頻道變得擁擠，頻道資源緊張，干擾多且很嚴(yán)重。擴(kuò)頻通信技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)可以克服這些問題，并且可以提供更高的保密技術(shù)。本文提出利用LoRa無線擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離通信，相比于傳統(tǒng)的數(shù)字對講機(jī)大大改善了傳輸距離和抗干擾能力。同時(shí)，在對講機(jī)硬件系統(tǒng)中添加藍(lán)牙模塊，結(jié)合智能手機(jī)、藍(lán)牙無線通信技術(shù)，基于智能手機(jī)及其中運(yùn)行的APP軟件，實(shí)現(xiàn)短信息收發(fā)、位置追蹤、軌跡記錄等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2 無線通信系統(tǒng)概述

一般應(yīng)用場景中，對講機(jī)之間通過LoRa網(wǎng)絡(luò)連接，形成一個(gè)對講機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)自主網(wǎng)絡(luò)。在此系統(tǒng)中，每個(gè)對講機(jī)之間可以和有效距離范圍內(nèi)的任何對講單元進(jìn)行連接，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的數(shù)字對講機(jī)類似，可實(shí)現(xiàn)語音對講功能。由于LoRa技術(shù)長通信距離、低功耗、高魯棒性等技術(shù)特點(diǎn)，在通信距離和抗干擾能力上將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字對講機(jī)。同時(shí)，每個(gè)對講機(jī)內(nèi)都設(shè)計(jì)藍(lán)牙連接模塊，對講機(jī)可以通過藍(lán)牙連接到各自的智能手機(jī)，運(yùn)行智能手機(jī)上APP軟件可是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。其系統(tǒng)組成如下圖1所示。

在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，智能手機(jī)提供了豐富的硬件外設(shè)和軟件執(zhí)行換環(huán)境。手機(jī)的GPS、陀螺儀、氣壓計(jì)等硬件提供的信息、可以通過對講機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；運(yùn)行對講機(jī)網(wǎng)絡(luò)專用配套軟件后，手機(jī)的觸摸屏可以用來對對講機(jī)的寫頻配置?？梢允褂么笃聊徊榭措x線地圖、清楚隊(duì)員的位置信息、進(jìn)行類微信的個(gè)人聊天和組隊(duì)聊天。數(shù)據(jù)傳輸過程如下：首先手機(jī)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送到對講機(jī)藍(lán)牙模塊。然后對講機(jī)之間通過透傳的方式將數(shù)據(jù)傳送到LoRa模塊中。LoRa將接收到的數(shù)據(jù)廣播出去，對端收到數(shù)據(jù)后一樣通過透傳的方式傳輸?shù)剿{(lán)牙中進(jìn)行緩存。最后對端通過藍(lán)牙傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送到對端智能配置APP中。其系統(tǒng)框圖如下圖2所示。

3 系統(tǒng)組成

本文中系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括手機(jī)APP的軟件設(shè)計(jì)、智能對講機(jī)的軟硬硬件設(shè)計(jì)、及LoRa與藍(lán)牙Ble之間無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3.1 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)APP是在iOS8.0以上版本中運(yùn)行的APP程序，采用Xcode對APP軟件進(jìn)行開發(fā)。手機(jī)APP開發(fā)設(shè)計(jì)的功能包括有登錄、用戶注冊、設(shè)備注冊、組隊(duì)、聊天、消息通知、地圖、個(gè)人信息設(shè)置、手機(jī)伴侶設(shè)置、幫助與反饋、關(guān)于。APP設(shè)計(jì)界面如圖3所示。

3.2 對講機(jī)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由如圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，整個(gè)對講機(jī)系統(tǒng)主要包括MCU主控模塊、藍(lán)牙模塊、LoRa模塊、OLED模塊、音頻模塊。下面分別說明以下模塊功能。

3.2.1 MCU主控模塊

主要采用STM32F103RET6芯片作為系統(tǒng)的MCU主控模塊。其提供了多個(gè)串口，使用不同的串口分別連接藍(lán)牙模塊、OLED模塊、音頻模塊。同時(shí)，使用SPI通信連接LoRa模塊，完成主控模塊和各主要模塊之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙主要采用nrf52832芯片。RF52系列的2.4 GHz RF收發(fā)器設(shè)計(jì)工作在全球開放的 ISM頻段：2.4 - 2.4835 GHz。藍(lán)牙模塊選用的無線調(diào)制模式及配置包結(jié)構(gòu)，使其能夠與其它的2.4GHz協(xié)議共同使用。藍(lán)牙模塊同時(shí)支持BLE低功耗藍(lán)牙和傳統(tǒng)藍(lán)牙連接、同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音傳輸。支持A2DP音頻傳輸模式協(xié)定，支持HSP和HFP藍(lán)牙耳機(jī)模型協(xié)定，支持SPP串口模型協(xié)定。藍(lán)牙模塊通過串口和主控模塊進(jìn)行通信，主控模塊通過串口發(fā)送AT指令完成藍(lán)牙的配置和數(shù)據(jù)收發(fā)。其主要的指令包括SPP，A2DP，HFP相關(guān)功能的配置，方法實(shí)現(xiàn)等。藍(lán)牙連接流程圖如圖4所示。

3.2.3 LoRa模塊

系統(tǒng)LoRa通信模塊主要使用SEMTECH的擴(kuò)頻芯片SX1278。這個(gè)SX1278配備了傳統(tǒng)的FSK模式和LoRa模式兩種調(diào)制器。LoRa調(diào)制解調(diào)器使用一種專營的擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)。在FSK/OOK 模式下，SX1278支持標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制技術(shù)，包括OOK，F(xiàn)SK，GFSK，MSK和GMSK。SX1278特別適合窄帶通信，這要?dú)w功于采用low-IF架構(gòu)以及內(nèi)置的AFC功能。LoRa調(diào)制使用了擴(kuò)頻調(diào)制和前向糾錯(cuò)碼技術(shù)來提高范圍，與傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)相比較，這種調(diào)制方式允許增加鏈路預(yù)算和減少內(nèi)在干擾的影響。LoRa模塊與主控模塊之間采用SPI通信協(xié)議進(jìn)行通信，此通信方式主要由LoRa芯片支持的通信方式所決定的。

3.3 系統(tǒng)傳輸層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中同時(shí)用到了藍(lán)牙低功耗無線傳輸和LoRa超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。基于藍(lán)牙和LoRa各自的通信協(xié)議特點(diǎn)，在傳輸過程中需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。

3.3.1 藍(lán)牙數(shù)據(jù)包

藍(lán)牙模塊在接收到數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)緩存并以廣播的形式發(fā)送出去。廣播著是針對從設(shè)備而言的，廣播者通過發(fā)送廣播包或者掃描響應(yīng)數(shù)據(jù)包向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)信息，通過接收掃描請求包或者連接請求包來接收數(shù)據(jù)消息。不同的廣播行為有這不同的廣播載荷。本系統(tǒng)中連接請求時(shí)其載荷入表1所示。LLData數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2所示。

LoRa調(diào)制器使用兩種類型的包格式，顯式和隱式。本系統(tǒng)使用LoRa的顯性調(diào)制模式。顯式數(shù)據(jù)包包括包頭（preamble）、可選數(shù)據(jù)包頭模式（optional header）、數(shù)據(jù)包（the data payload）。其中顯式數(shù)據(jù)包包頭的主要功能是用來同步接收者與傳入的數(shù)據(jù)流，有兩種模式類型進(jìn)行選擇；LoRa數(shù)據(jù)包格式又分為可變數(shù)據(jù)包模式和不可變數(shù)據(jù)包模式。系統(tǒng)中選擇可變數(shù)據(jù)包模式用來匹配藍(lán)牙的數(shù)據(jù)包模式?？勺償?shù)據(jù)包格式如下圖5所示。

3.3.3 自定義數(shù)據(jù)包協(xié)議

MCU對藍(lán)牙進(jìn)行讀取信息后，需要通過SPI將數(shù)據(jù)傳輸給LoRa進(jìn)行傳輸。因此，藍(lán)牙協(xié)議一次只能夠傳輸20字節(jié)的數(shù)據(jù)。而LoRa傳輸最高可達(dá)255字節(jié)數(shù)據(jù)。因此需要在藍(lán)牙包和LoRa包之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆包和組包處理。發(fā)送方將待發(fā)送的消息進(jìn)行拆包操作，首先生成消息包頭類型的藍(lán)牙包，然后生成消息內(nèi)容藍(lán)牙包。消息包頭包括：發(fā)送者身份、接收者身份、消息編號(hào)、總的發(fā)送包數(shù)量、當(dāng)前發(fā)送包編號(hào)、當(dāng)前頭包標(biāo)識(shí)、后續(xù)包標(biāo)識(shí)等。數(shù)據(jù)包包括：消息類型、消息識(shí)別碼、每個(gè)包序列號(hào)、命令編號(hào)、用戶數(shù)據(jù)等。拆包過程如下：

（1）判斷數(shù)據(jù)是否為空

（2）提取消息類型

（3）計(jì)算消息包總數(shù)量

（4）組合數(shù)據(jù)頭包，存放到臨時(shí)字節(jié)數(shù)組中

（5）組合數(shù)據(jù)內(nèi)容包，存放到臨時(shí)字節(jié)數(shù)組中

（6）從數(shù)組中逐一讀取20字節(jié)數(shù)據(jù)包發(fā)送

4 系統(tǒng)測試

在初步測試中，我們采用典型的無網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行測試，即：隊(duì)員手機(jī)均處于無網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，互相之間無法通過手機(jī)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。此狀態(tài)模擬在戶外探險(xiǎn)或者地下室等嚴(yán)苛條件下，標(biāo)志著所有的用戶都沒有手機(jī)信號(hào)，無法通過手機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流溝通，測試情況如表3所示。

測試人數(shù)：4人

測試距離：在1km到15km之間變化

測試環(huán)境：選擇在地下室或者戶外無網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)將LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)運(yùn)用于對講機(jī)之間的通信，同時(shí)增加藍(lán)牙通信模塊，運(yùn)用手機(jī)的智能化硬件。不僅解決了對講機(jī)的長距離和抗干擾的問題，同時(shí)擴(kuò)展了傳統(tǒng)的數(shù)字對講機(jī)單一的數(shù)據(jù)傳輸功能。該系統(tǒng)為在戶外救援、探險(xiǎn)、地下室通信等工作提供了更好的保障。經(jīng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)測試，該方法具有更好的通信可靠性。

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