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..................................................12功能性能指标..........................................12.1功能指标.........................................12.2性能指标.........................................23技术路线选择..........................................34系统设计..............................................44.1系统组成.........................................44.2系统工作模式.....................................54.2.1主机轮询的组网方式.........................64.2.2分时间片的组网方式..........................65通信设计..............................................75.1MODBUS通信协议...................................75.2MODBUS通信示意图.................................86软件设计...............................................86.1软件流程图.......................................86.2软件时序图.......................................97结构设计.............................................107.1接口设计........................................107.2外形设计........................................118实验方案.............................................129项目进度和质量保证...................................139.1项目研制进度计划................................139.2质量控制与文件交付进度计划......................1410主机与监测系统通信协议..............................1410.1概述...........................................1410.2协议标准设置...................................1410.3字节格式.......................................1510.4帧格式.........................................1510.5浮点数存贮和传输格式...........................1610.6功能码.........................................1610.7读写保持寄存器.................................1610.8举例...........................................1710.9异常响应........................................1910.10CRC16校验方式..................................1911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2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。3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、915MHz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915MHz(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。44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。通信基站适配器12V供电USB接口SMA接口外置天线通信模块1模块电路1外置天线SMA接口上传下达计算机终端API接口界面软件485通信接口+12V供电接口通信模块10模块电路10设备11设备16。。。。。。设备10设备1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。表1设备清单5序号名称数量说明1通信基站1台提供技术手册。2通信模块10块提供技术手册。3基站天线1套SMA接口；提供技术手册。4设备天线10套防水、防尘；SMA接口；提供技术手册。5通信模块电缆10套每套含：一根300mm的SMA电缆；一根300mm的485通信电缆（含接插件，提供定义，3个信号线）；一根300mm的供电电缆（SMA接口）；一根485转USB电缆。6API接口软件1套提供使用说明书。7LoRa通信协议与MODBUS数据格式1套采用该通信协议和数据格式，可满足其他设备实现LoRa通信功能设计。8调试界面软件1套供系统集成调试用，提供说明书。4.2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。4.2.1主机轮询的组网方式6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。主机轮询的组网方式原理很简单，通过点名的方式实现应答。如主机发送给1号从机，由于从机都有地址设别，因此只有从机1能够响应主机。从机1收到主机的命令后，将数据上传给主机。主机再以相同点的轮询方式轮询其它从机数据。图4.2主机轮询组网图4.2.2分时间片的组网方式分时间片的组网方式对于组网数据收集来说是比简单的轮询方式快了很多，但是对从机的时间同步以及发送延迟要求高。7图4.3分时间片组网图如图，这种组网方式是先由主机发起广播时间，从机收到后，同步自己的本地时间，同步完成后，根据自己的编号进行延时上传，从而实现多发一收的功能。这种组网方式收发数据时间节省很多，并且能够防止冲突，但是对软件延时等调整要求较高。为保证数据传输的实时性，选择第二种方式分时间片的组网方式，实现整个系统的无线通信。5通信设计5.1MODBUS通信协议MODBUS网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。它已经成为一种通用工业标准。MODBUS网络只有一个主机，所有通信都由它发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。8MODBUS协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。MODBUS网络以RTU模式进行通信，在消息中的每个8Bit字节按照原值传送，不做处理。这种方式的主要优点是：数据帧传送之间没有间隔，相同波特率下传输数据的密度要比ASCII高，传输速度更快。5.2MODBUS通信示意图本系统由无线LoRa和有线485进行组网通信。均采用MODBUS通信协议RTU通信方式。可进行点对点通信和点（基站）对多（模块）通信。具备通信功能内置通信模块基站监测主机485（MODBUS）LoRa（MODBUS）LoRa（MODBUS）LoRa图5.1基于LoRa的通信示意图6软件设计6.1软件流程图监测主机界面软件主要对整个系统的运行状况进行监控。出9现异常情况时，给出报警提示；同时可进入设置界面进行参数设置，对历史数据存储和打印。开机初始化实时监测探测器数据、状态，TF卡状态，电池电量、时间参数设置（有线/无线）时间设置报警阈值报警时间设备编号系统复位异常提示结束数据密钥数据存储于打印图6.1监测主机软件流