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)

2.1 功能指标 (1)

2.2 性能指标 (2)

3 技术路线选择 (3)

4 系统设计 (4)

4.1 系统组成 (4)

4.2 系统工作模式 (5)

4.2.1 主机轮询的组网方式 (6)

4.2.2 分时间片的组网方式 (6)

5 通信设计 (7)

5.1 MODBUS通信协议 (7)

5.2 MODBUS通信示意图 (8)

6 软件设计 (8)

6.1 软件流程图 (8)

6.2 软件时序图 (9)

7 结构设计 (10)

7.1 接口设计 (10)

7.2 外形设计 (11)

8 实验方案 (12)

9 项目进度和质量保证 (13)

9.1 项目研制进度计划 (13)

9.2 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)

10.1 概述 (14)

10.2 协议标准设置 (14)

10.3 字节格式 (15)

10.4 帧格式 (15)

10.5 浮点数存贮和传输格式 (16)

10.6 功能码 (16)

10.7 读写保持寄存器 (16)

10.8 举例 (17)

10.9 异常响应 (19)

10.10 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

2.1 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。

2.2 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2.4GHz(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4.1 基于LoRa的组网通信系统组成示意图

4.1 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。