基于LoRa的组网设计方案

基于LoRa的组网设计方案

基于LoRa的组网设计方案

目录

1 概述 (1)

2 功能性能指标 (1)

功能指标 (1)

性能指标 (2)

3 技术路线选择 (3)

4 系统设计 (4)

系统组成 (4)

系统工作模式 (5)

主机轮询的组网方式 (6)

分时间片的组网方式 (6)

5 通信设计 (7)

MODBUS通信协议 (7)

MODBUS通信示意图 (8)

6 软件设计 (8)

软件流程图 (8)

软件时序图 (9)

7 结构设计 (10)

接口设计 (10)

外形设计 (11)

8 实验方案 (12)

9 项目进度和质量保证 (13)

项目研制进度计划 (13)

质量控制与文件交付进度计划 (14)

10 主机与监测系统通信协议 (14)

概述 (14)

协议标准设置 (14)

字节格式 (15)

帧格式 (15)

浮点数存贮和传输格式 (16)

功能码 (16)

读写保持寄存器 (16)

举例 (17)

异常响应 (19)

CRC16校验方式 (19)

1 概述

基于LoRa的组网通信系统采用LoRa通信协议进行组网通信，系统由计算机终端、通信基站、集成通信模块的用户设备、具备通信功能的用户设备等组成，实现整套系统的互相通信。

2 功能性能指标

功能指标

LoRa组网通信功能：通过通信基站向全部设备广播信息；通过通信基站向某一特定设备发送参数或控制命令；通信基站同时接收16个设备的上传数据。

LoRa通信加密功能：无线通信具备加密功能，提供加密算法。

设备命名功能：为每一个接入网络的设备定义设备编号，名字可长期不变，也可经授权改变，可唯一识别不同的设备，满足后续数据处理。

485通信功能：按照485标准以及MODBUS数据格式，通信模块可完成与用户模块电路之间的数据通信。

调试界面软件功能：实时显示各设备数据，包括设备工作状态、设备传感器数据；设置设备参数与状态，包括设备命名与修改、下达复位命令、设置报警值、设置数据上传时间间隔、启停数据采集等；存储数据，按照不同任务、不同设备进行关联存储；数据可查询；数据可打印。

API接口通信功能：按照MODBUS数据格式和LoRa通信协议，建立界面软件（包括调试界面软件）和通信基站之间通信通道，界面软件可实现相应功能。

故障显示与定位功能：当通信基站和通信模块发生故障时，界面可显示故障，

并显示具体哪一个通信模块或通信基站发生故障。

性能指标

无线通信体制：LoRa通信，一个基站对多个通信设备的组网通信。

无线通信距离：无遮挡传输距离≥5000m，有金属遮挡传输距离≥2000m。

无线通信速率：通信基站向用户设备下传数据≥1kbps；用户设备向通信基站上传数据≥5kbps；通信基站数据吞吐速率≥10kbps，可同时接收≥16路的设备上传数据；有遮挡时，上传和下传数据率的衰减量≤50%。

通信模块供电：采用+12V电源供电。

通信基站功耗：通过DC12V电源适配器进行设备供电。

数据加密：无线通信上传和下传数据进行加密，16路同时上传时，数据吞吐速率不超过通信基站额定能力的70%。提供数据加解密算法。

485通信速率：通信模块向用户模块电路的下传数据速率≥1kbps；用户模块电路向通信模块的上传数据速率≥5kbps；数据格式采用MODBUS通讯协议。

一次工作时间：一次开机，可可靠连续工作12h。

工作温度：-35℃~55℃。

存储温度：-40℃~70℃。

湿度：40℃工作温度下，90%湿度，通信基站、通信模块能正常工作，且不凝露。

元器件和原材料的性能参数满足环境温度（工作温度、存储温度）要求。

3 技术路线选择

LoRa是LPWAN（低功耗广域物联网）通信技术中的一种，LoRa作为目前最有发展前景的低功耗广域通信技术，已经被运用在个各行各业中。是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。

LoRa 无线通信采用直序扩频技术，具有通信距离远、功率密度集中，抗干扰能力强的优势。同时具有软件 FEC 前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz 等。LoRa是物联网应用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网。

ZigBee是一种无线连接，可工作在(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

基于此，我们选择传输距离远、功耗低（长电池寿命）的LoRa模块。

4 系统设计

基于LoRa的组网通信系统由计算机终端、通信基站、集成通信模块的用户设备、具备通信功能的用户设备等组成，系统采用LoRa通信协议进行组网通信，实现命令或参数的下达，以及数据的采集与上传等功能。

图基于LoRa的组网通信系统组成示意图

系统组成

系统由计算机终端、通信基站、集成通信模块的用户设备（设备1~设备10）、具备通信功能的用户设备（设备11~设备16）等组成。

表1 设备清单

系统工作模式

因射频的特性决定了无线串口收发模块可以一发多收，不能同时多发一收，造成了射频组网的最大的障碍，因此，为了解决这个问题就只能够利用时间来实现组网，下面是无线LoRa收发模块实现多发一收的解决方案。

主机轮询的组网方式

主机轮询方式组网是主机逐个查询的方式，该组网方式能够准确上传，并且相互设备之间不容易出现冲突，组网也比较稳定，但是缺点是主机轮询耗时间长。

这种组网方式适合那些对时间要求不高的组网应用。