基于lora通信的延时控制研究
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实现设备的延时控制，最主要的是解决不同设备的时间同 步问题。关于无线网络中的时间同步，常用的有通过 GPS 或北 斗校时实现，或者基于时间戳交换的无线通信实现 [5]。GPS 或 北斗信号常常会因为云层、楼房、树木等遮挡而受影响，导致 时间同步应用受限，因此只考虑基于时间戳交换的无线通信实 现，如采用 LoRa 无线通信实现时间同步。基于时间戳交换的 时间同步，可以采用RB（S reference broadcast synchronization） 算法，利用无线信号广播特性消除了发送端延迟影响，或者采 用 NTP（network time protocol）协议，通过双向时间戳交换消除 时间戳传输延迟 [6]。延时控制可根据两种时间同步方式的思想， 结合实际应用确定适合的时间同步处理。完成时间输过程中的延迟，提高延 时控制精度。
二、基于 Lora 的通信控制
将 LoRa 技术应用到一个延时控制系统中，利用无线通信， 实现遥控。系统由一个主机与多个分机构成，系统结构为如图 1 所示，LoRa 技术采用星型网络架构，与该延时控制系统结构 非常契合。主分机内部采用 RS485 转 LoRa 的无线电台模块与 单片机连接，实现控制功能。
关键词：LoRa；时间同步；时间戳交换；延时控制
一、研究背景
近年来，无线通信技术迅猛发展，物联网的呼声日益高 涨，低功耗广域网（LPWAN）以其远距离、低功耗、低成本、 覆盖容量大等优点发展得如火如荼 [1]。LoRa 技术作为 LPWAN 中发展快、相对成熟的技术，非常具有代表性，具有许多其 他无线技术无法比拟的优良特点。LoRa 使用线性调频扩频调 制技术，既具有低功耗特性、延长了通信距离，又具有高抗 干扰能力 [2]。其最高接收灵敏度可达 -148dBm，相比于其他传 统芯片提高了 20dB，在实际应用中可提升 5~8 倍传输距离， 空旷地区长达 20km，且确保了网络连接的可靠性。
主机
分机1
分机2
···
分机n
图 1 应用系统结构 采用成都亿佰特的 E32-DTU 系列的无线数传电台模块， 能 实 现 RS232 或 RS485 接 口 与 LoRa 无 线 通 信 数 据 的 透 传。 模块通过 8-28V 直流电源供电，宽电压输入方便野外电池选 用，收发一体，为半双工通信；采用 SEMTECH 公司 SX1276/ SX1278 芯片，工作稳定，可选 0.5-5W 的发射功率，覆盖范 围广，最远可达 20Km；采用温度补偿电路，频率稳定度优于 ±1.5PPM，时钟偏差小，使得延时控制更精确；进口核心元器 件使得模块支持 -40 ～ +85℃工作环境温度，适用于野外温度 较低的情况；自带电源逆接保护、过接保护、天线浪涌保护等 电路，可靠性较高；模块为全铝合金外壳，体积紧凑，安装方 便，散热性好，外壳能屏蔽电磁辐射，既提高自身抗干扰能力， 又避免发射功率太大对其他设备产生电磁影响；通过特定指令 可对功率、频率、空中速率、地址 ID、串口通信模式等参数进 行配置，方便使用。 利用该模块实现通信控制功能的基本方案如图 2 所示，只 需要 MAX485 完成单片机 TTL 电平与模块的 RS485 电平转换， 就能完成整个通信控制链路，可以自定通信协议以及单片机控 制程序，实现控制功能。 按照上述方案，搭建环境测试通信情况。模块采用 12V 直流电源供电，外接 5dBi 增益吸盘天线，天线高约 1m，测试 地点为宜昌夷陵长江大桥底至中南路与沿江大道交叉口（约 3.3km），无线通信频点 433MHz，空中速率 4800bps，包误差率 <1%，通过重发机制，可使包误差率 <0.01%。
自 2013 年 8 月，Semtech 公司发布了这种新型的基于 1 GHz 以下超长距低功耗数据传输技术的芯片，就引起广泛 关注 [3]。2015 年 3 月，LoRa 联盟（LoRa Alliance）成立，联 盟成员包括 Semtech、美国 lBM、Cisco、法国 ActiIity、英国 Orange、日本软银、荷兰皇家电信、瑞士电信、韩国 SK 电信、 印度 TATA 电信等，产业链包含大量终端硬件厂商、芯片厂商、 软件厂商、系统集成商、网络运营商等，具有完整生态系统。 国内，中兴通讯在 2016 年年初牵头成立中国 LoRa 应用联盟， 多家企业加入，AUGTEK 在京杭大运河完成 284 个基站的建设， 覆盖 1300km 流域。2018 年 4 月，阿里巴巴宣布试商用 LoRa 技术平台，推动国内 LoRa 快速发展 [4] 。
LoRa 作为低功耗广域网技术，主要应用于物联网、智慧 城市等方面，结合实际需求以及技术特点可知，LoRa 非常适合 远距离设备的通信控制，如智慧农业、遥控起爆、数据采集等。 远距离设备通信及控制，对覆盖范围、穿透能力要求较高；常 使用电池供电，因此需求设备低功耗以延长电池使用寿命；距 离远则铺线不易、组网不便、易受干扰，需要无线通信可靠稳定、 抗干扰能力强，LoRa 能够很好地满足这些需求。
44 信息系统工程 │ 2019.11.20
SYS SECURITY 系统安全
三、基于时间戳交换的延时控制
要实现比较精确的延时控制，必须先实现主分机的时间同
步。基于 NTP 协议思想，结合应用实际情况，确定时间同步方
式。以主机时钟为基准，分机按要求完成时间同步，运行流程
如图 3 所示。
1. 分机向主机发送时间同步请求数据帧，并记录此时分机
SYS SECURITY 系统安全
基于 LoRa 通信的延时控制研究
◆ 谭华峰 方 航
摘要：随着遥控技术的发展，延时遥控的要求也越来越高。LoRa作为低功耗广域网中具有代表性的技 术，性能优良。以LoRa无线通信技术为基础，结合时间同步中的时间戳交换技术，实现较为精准地延时控 制系统。系统既具有覆盖范围广、通信可靠、低功耗、高灵敏度等特点，又通过消除传输延时，完成较远 距离内的微秒级可靠延时控制。满足延时遥控中的众多需求，具有良好应用效果。
二、基于 Lora 的通信控制
将 LoRa 技术应用到一个延时控制系统中，利用无线通信， 实现遥控。系统由一个主机与多个分机构成，系统结构为如图 1 所示，LoRa 技术采用星型网络架构，与该延时控制系统结构 非常契合。主分机内部采用 RS485 转 LoRa 的无线电台模块与 单片机连接，实现控制功能。
关键词：LoRa；时间同步；时间戳交换；延时控制
一、研究背景
近年来，无线通信技术迅猛发展，物联网的呼声日益高 涨，低功耗广域网（LPWAN）以其远距离、低功耗、低成本、 覆盖容量大等优点发展得如火如荼 [1]。LoRa 技术作为 LPWAN 中发展快、相对成熟的技术，非常具有代表性，具有许多其 他无线技术无法比拟的优良特点。LoRa 使用线性调频扩频调 制技术，既具有低功耗特性、延长了通信距离，又具有高抗 干扰能力 [2]。其最高接收灵敏度可达 -148dBm，相比于其他传 统芯片提高了 20dB，在实际应用中可提升 5~8 倍传输距离， 空旷地区长达 20km，且确保了网络连接的可靠性。
主机
分机1
分机2
···
分机n
图 1 应用系统结构 采用成都亿佰特的 E32-DTU 系列的无线数传电台模块， 能 实 现 RS232 或 RS485 接 口 与 LoRa 无 线 通 信 数 据 的 透 传。 模块通过 8-28V 直流电源供电，宽电压输入方便野外电池选 用，收发一体，为半双工通信；采用 SEMTECH 公司 SX1276/ SX1278 芯片，工作稳定，可选 0.5-5W 的发射功率，覆盖范 围广，最远可达 20Km；采用温度补偿电路，频率稳定度优于 ±1.5PPM，时钟偏差小，使得延时控制更精确；进口核心元器 件使得模块支持 -40 ～ +85℃工作环境温度，适用于野外温度 较低的情况；自带电源逆接保护、过接保护、天线浪涌保护等 电路，可靠性较高；模块为全铝合金外壳，体积紧凑，安装方 便，散热性好，外壳能屏蔽电磁辐射，既提高自身抗干扰能力， 又避免发射功率太大对其他设备产生电磁影响；通过特定指令 可对功率、频率、空中速率、地址 ID、串口通信模式等参数进 行配置，方便使用。 利用该模块实现通信控制功能的基本方案如图 2 所示，只 需要 MAX485 完成单片机 TTL 电平与模块的 RS485 电平转换， 就能完成整个通信控制链路，可以自定通信协议以及单片机控 制程序，实现控制功能。 按照上述方案，搭建环境测试通信情况。模块采用 12V 直流电源供电，外接 5dBi 增益吸盘天线，天线高约 1m，测试 地点为宜昌夷陵长江大桥底至中南路与沿江大道交叉口（约 3.3km），无线通信频点 433MHz，空中速率 4800bps，包误差率 <1%，通过重发机制，可使包误差率 <0.01%。
自 2013 年 8 月，Semtech 公司发布了这种新型的基于 1 GHz 以下超长距低功耗数据传输技术的芯片，就引起广泛 关注 [3]。2015 年 3 月，LoRa 联盟（LoRa Alliance）成立，联 盟成员包括 Semtech、美国 lBM、Cisco、法国 ActiIity、英国 Orange、日本软银、荷兰皇家电信、瑞士电信、韩国 SK 电信、 印度 TATA 电信等，产业链包含大量终端硬件厂商、芯片厂商、 软件厂商、系统集成商、网络运营商等，具有完整生态系统。 国内，中兴通讯在 2016 年年初牵头成立中国 LoRa 应用联盟， 多家企业加入，AUGTEK 在京杭大运河完成 284 个基站的建设， 覆盖 1300km 流域。2018 年 4 月，阿里巴巴宣布试商用 LoRa 技术平台，推动国内 LoRa 快速发展 [4] 。
LoRa 作为低功耗广域网技术，主要应用于物联网、智慧 城市等方面，结合实际需求以及技术特点可知，LoRa 非常适合 远距离设备的通信控制，如智慧农业、遥控起爆、数据采集等。 远距离设备通信及控制，对覆盖范围、穿透能力要求较高；常 使用电池供电，因此需求设备低功耗以延长电池使用寿命；距 离远则铺线不易、组网不便、易受干扰，需要无线通信可靠稳定、 抗干扰能力强，LoRa 能够很好地满足这些需求。
44 信息系统工程 │ 2019.11.20
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三、基于时间戳交换的延时控制
要实现比较精确的延时控制，必须先实现主分机的时间同
步。基于 NTP 协议思想，结合应用实际情况，确定时间同步方
式。以主机时钟为基准，分机按要求完成时间同步，运行流程
如图 3 所示。
1. 分机向主机发送时间同步请求数据帧，并记录此时分机
SYS SECURITY 系统安全
基于 LoRa 通信的延时控制研究
◆ 谭华峰 方 航
摘要：随着遥控技术的发展，延时遥控的要求也越来越高。LoRa作为低功耗广域网中具有代表性的技 术，性能优良。以LoRa无线通信技术为基础，结合时间同步中的时间戳交换技术，实现较为精准地延时控 制系统。系统既具有覆盖范围广、通信可靠、低功耗、高灵敏度等特点，又通过消除传输延时，完成较远 距离内的微秒级可靠延时控制。满足延时遥控中的众多需求，具有良好应用效果。