基于LoRa的組網設計方案

1、基于LoRa的組網設計方案1 概述12功能性能指標11.1 功能指標11.2 性能指標23技術路線選擇34系統(tǒng)設計47.1 系統(tǒng)組成47.2 系統(tǒng)工作模式57 主機輪詢的組網方式67 分時間片的組網方式65通信設計71.1.5 MODBUS®信協(xié)議71.2.5 MODBUS®信示意圖86軟件設計81 軟件流程圖81 軟件時序圖97結構設計10接口設計10外形設計118實驗方案129項目進度和質量保證13項目研制進度計劃13質量控制與文件交付進度計劃1410主機與監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議14概述14協(xié)議標準設置14字節(jié)格式15幀格式15浮點數(shù)存貯和傳輸格式16功能碼16讀寫保持寄存器

2、16舉例17異常響應19CRC16校驗方式191概述基于LoRa的組網通信系統(tǒng)采用LoRa通信協(xié)議進行組網通信，系統(tǒng)由計算機終端、通信基站、集成通信模塊的用戶設備、具備通信功能的用戶設備等組成，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的互相通信。2功能性能指標功能指標LoRa組網通信功能：通過通信基站向全部設備廣播信息；通過通信基站向某一特定設備發(fā)送參數(shù)或控制命令；通信基站同時接收16個設備的上傳數(shù)據(jù)。LoRa通信加密功能：無線通信具備加密功能，提供加密算法。設備命名功能：為每一個接入網絡的設備定義設備編號，名字可長期不變，也可經授權改變，可唯一識別不同的設備，滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理。485通信功能：按照485標準以及MODB

3、US據(jù)格式，通信模塊可完成與用戶模塊電路之間的數(shù)據(jù)通信。調試界面軟件功能：實時顯示各設備數(shù)據(jù)，包括設備工作狀態(tài)、設備傳感器數(shù)據(jù)；設置設備參數(shù)與狀態(tài)，包括設備命名與修改、下達復位命令、設置報警值、設置數(shù)據(jù)上傳時間間隔、啟停數(shù)據(jù)采集等；存儲數(shù)據(jù)，按照不同任務、不同設備進行關聯(lián)存儲；數(shù)據(jù)可查詢；數(shù)據(jù)可打印。API接口通信功能：按照MODBUS據(jù)格式和LoRa通信協(xié)議，建立界面軟件（包括調試界面軟件）和通信基站之間通信通道，界面軟件可實現(xiàn)相應功能。故障顯示與定位功能：當通信基站和通信模塊發(fā)生故障時，界面可顯示故障，并顯示具體哪一個通信模塊或通信基站發(fā)生故障。性能指標無線通信體制：LoRa通信，一個基站

4、對多個通信設備的組網通信。無線通信距離：無遮擋傳輸距離n5000nl有金屬遮擋傳輸距離n2000m無線通信速率：通信基站向用戶設備下傳數(shù)據(jù)n1kbps；用戶設備向通信基站上傳數(shù)據(jù)n5kbps;通信基站數(shù)據(jù)吞吐速率n10kbps,可同時接收n16路的設備上傳數(shù)據(jù)；有遮擋時，上傳和下傳數(shù)據(jù)率的衰減量w50%通信模塊供電：采用+12V電源供電。通信基站功耗：通過DC12Vt源適配器進行設備供電。數(shù)據(jù)加密：無線通信上傳和下傳數(shù)據(jù)進行加密，16路同時上傳時，數(shù)據(jù)吞吐速率不超過通信基站額定能力的70%提供數(shù)據(jù)加解密算法。485通信速率：通信模塊向用戶模塊電路的下傳數(shù)據(jù)速率1kbps;用戶模塊電路向通信模塊

5、的上傳數(shù)據(jù)速率5kbps;數(shù)據(jù)格式采用MODBUS訊協(xié)議。一次工作時間：一次開機，可可靠連續(xù)工作12h。工作溫度：-35C55C。存儲溫度：-40C70C。濕度：40c工作溫度下，90%1度，通信基站、通信模塊能正常工作，且不凝露。元器件和原材料的性能參數(shù)滿足環(huán)境溫度（工作溫度、存儲溫度）要求。3技術路線選擇LoRa是LPWAN低功耗廣域物聯(lián)網）通信技術中的一種，LoRa作為目前最有發(fā)展前景的低功耗廣域通信技術，已經被運用在個各行各業(yè)中。是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa無線通信采用直序擴頻技術，具有通信距離遠、功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢

6、。同時具有軟件FEC前向糾錯算法，其編碼效率較高，糾錯能力強，在突發(fā)干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，大大提高可靠性和傳輸距離。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915MHz等。LoRa是物聯(lián)網應用中的無線技術有多種，可組成局域網或廣域網。ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個頻段上，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術?；诖?，我們選擇傳輸距離遠、功耗低（長電池壽命）的LoRa模塊。4系統(tǒng)設計基于LoRa的組網通信系統(tǒng)由計算機終端、通信基站、集成通信模塊的用戶

7、設備、具備通信功能的用戶設備等組成，系統(tǒng)采用LoRa通信協(xié)議進行組網通信,實現(xiàn)命令或參數(shù)的下達，以及數(shù)據(jù)的采集與上傳等功能適配器12V供電設備1485通信接口圖4.1基于LoRa的組網通信系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成系統(tǒng)由計算機終端、通信基站、集成通信模塊的用戶設備（設備1設備10）、具備通信功能的用戶設備（設備11設備16）等組成。表1設備清單序號名稱數(shù)量說明1通信基站1臺提供技術手冊。2通信模塊10塊提供技術手冊。3基站天線1套SMA接口；提供技術手冊。4設備天線10套防水、防塵；SMA接口；提供技術手冊。5通信模塊電纜10套每套含：一根300mm的SMA電纜；一根300mm的485通信電纜（含

8、接插件，提供定義，3個信號線）；一根300mm的供電電纜（SMA接口）；一根485轉USB電纜。6API接口軟件1套提供使用說明書。7LoRa通信協(xié)議與MODBUS數(shù)據(jù)格式1套采用該通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，可滿足其他設備實現(xiàn)LoRa通信功能設計。8調試界面軟件1套供系統(tǒng)集成調試用，提供說明書。系統(tǒng)工作模式因射頻的特性決定了無線串口收發(fā)模塊可以一發(fā)多收，不能同時多發(fā)一收，造成了射頻組網的最大的障礙，因此，為了解決這個問題就只能夠利用時間來實現(xiàn)組網，下面是無線LoRa收發(fā)模塊實現(xiàn)多發(fā)一收的解決方案。主機輪詢的組網方式主機輪詢方式組網是主機逐個查詢的方式，該組網方式能夠準確上傳，并且相互設備之間不容易出

9、現(xiàn)沖突，組網也比較穩(wěn)定，但是缺點是主機輪詢耗時間長。這種組網方式適合那些對時間要求不高的組網應用主機輪詢的組網方式原理很簡單，通過點名的方式實現(xiàn)應答。如主機發(fā)送給1號從機，由于從機都有地址設別，因此只有從機1能夠響應主機。從機1收到主機的命令后，將數(shù)據(jù)上傳給主機。主機再以相同點的輪詢方式輪詢其它從機數(shù)據(jù)。圖4.2主機輪詢組網圖分時間片的組網方式分時間片的組網方式對于組網數(shù)據(jù)收集來說是比簡單的輪詢方式快了很多，但是對從機的時間同步以及發(fā)送延遲要求高。圖4.3分時間片組網圖如圖，這種組網方式是先由主機發(fā)起廣播時間，從機收到后，同步自己的本地時間，同步完成后，根據(jù)自己的編號進行延時上傳，從而實現(xiàn)多發(fā)

10、一收的功能。這種組網方式收發(fā)數(shù)據(jù)時間節(jié)省很多，并且能夠防止沖突，但是對軟件延時等調整要求較高。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，選擇第二種方式分時間片的組網方式，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無線通信。5通信設計5.1MODBUS通信協(xié)議MODBUS絡是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結構既包括硬件、亦包括軟件。它可應用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。它已經成為一種通用工業(yè)標準。MODBUS絡只有一個主機，所有通信都由它發(fā)出。網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數(shù)要由所用通信設備決定。MODBUS議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不

11、管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一個控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。MODBUS絡以RTUJI式進行通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)按照原值傳送，不做處理。這種方式的主要優(yōu)點是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，相同波特率下傳輸數(shù)據(jù)的密度要比ASCII高，傳輸速度更快。5.2MODBUS通信示意圖本系統(tǒng)由無線LoRa和有線485進行組網通信。均采用MODBUS信協(xié)議RTU®信方式?？蛇M行點對點通信和點（基站）對多（模塊）通信。具備通信功能LoRa(MODBUS)基站內置通信模塊LoRa(MODBUS)

12、LoRa485(MODBUS)圖5.1基于LoRa的通信示意圖6軟件設計軟件流程圖監(jiān)測主機界面軟件主要對整個系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)控。出現(xiàn)異常情況時，給出報警提示；同時可進入設置界面進行參數(shù)設置,對歷史數(shù)據(jù)存儲和打印。開機初始化參數(shù)設置（有線/無線）實時監(jiān)測探測器數(shù)據(jù)、狀態(tài)，TF#狀態(tài)，電池電量、時間數(shù)據(jù)存儲于打印異常提示-nvB系統(tǒng)復位,數(shù)據(jù)密鑰-設備編號報警時間報警閾值時間設置結束圖6.1監(jiān)測主機軟件流程圖軟件時序圖監(jiān)測主機界面軟件可通過無線LoRa或者有線485進行通信。監(jiān)測主機作為主機，可對任一設備進行點對點通信，也可通過廣播命令控制所有從機，當主機獲取所有從機數(shù)據(jù)時，從機根據(jù)設備編號延

13、時間隔固定時間依次回應數(shù)據(jù)。監(jiān)測主機便攜主機2便攜主機3數(shù)據(jù)響應便攜主機1100ms數(shù)據(jù)響應數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)響應數(shù)據(jù)響應1L.!1數(shù)據(jù)響應17結構設計圖6.2監(jiān)測主機軟件時序圖通信基站和通信模塊采用如圖所示外形結構和安裝尺寸，包括各接口定義。7.1接口設計圖7.1電氣接口示意圖CZZ)CZ)DC8-28V無線數(shù)傳電臺WirelessDataTransceiver-RS232!RS435圖7.2狀態(tài)指示圖表2電氣接口定義表腳號名稱功能說明1DB-9母型插座RS-232接口標準RS-232接口23.81接線端了RS-485、電源接口標準RS-232接口與壓線式電源接口3PWR-LED電源指7K燈紅色，電源

14、接通時點亮4TXD-LED發(fā)送指7K燈黃色，發(fā)送數(shù)據(jù)時閃爍5RXD-LED接收指7K燈黃色，接收數(shù)據(jù)時閃爍6DC電源接口電源接口直插式圓孔5.5*2.5mm7撥碼開關撥碼開關工作模式控制8天線接口SMA-K接口外螺紋內孔，長10mm,特征阻抗50Q*注：DC電源接口和3.81接線端子供電均為12V,根據(jù)現(xiàn)場接線情況二選一即可。7.2外形設計O0oPWRnebRXD無線數(shù)傳電臺WirelessDataTransceiverRS232舊S485ANT?465_A4A5.BGNDVCCDC1O-36V0-G-©圖7.3結構外形尺寸圖8實驗方案序號試驗項目名稱試驗樣品數(shù)量試驗結果試驗單位1外

15、觀、重量、尺寸全檢檢驗報告陜西衛(wèi)峰2無線通信距離抽檢測試韭的陜西衛(wèi)峰3無線通信速率抽檢測試韭的陜西衛(wèi)峰序號試驗項目名稱試驗樣品數(shù)量試驗結果試驗單位4通信模塊供電與功耗抽板測試報告陜西衛(wèi)峰5通信基站功耗抽板測試報告陜西衛(wèi)峰6一次工作時間抽板檢驗報告陜西衛(wèi)峰772h穩(wěn)定性試驗全檢檢驗報告陜西衛(wèi)峰8工作高溫試驗抽板檢驗報告陜西衛(wèi)峰9工作低溫試驗抽板檢驗報告陜西衛(wèi)峰10工作濕度試驗抽檢檢驗報告陜西衛(wèi)峰11貯存局溫試驗型式試驗檢驗報告陜西衛(wèi)峰12貯存低溫試驗型式試驗檢驗報告陜西衛(wèi)峰9項目進度和質量保證項目研制進度計劃序號名稱時間備注1簽訂合同合同簽訂之日起算T02質量計劃1周T0+13研制方案1周T0+

16、14研制方案評審1周T0+25工程樣機4周T0+66工程樣機試驗2周T0+87設備制造6周T0+148試驗大綱3周T0+14序號名稱時間備注9型式試驗2周T0+1610出廠驗收2周T0+18質量控制與文件交付進度計劃文件清單如下：序號文件名稱文件類型提交進度1技術文件、圖紙1.1研制方案I合同簽訂后2周內1.2設備外形圖、安裝圖、外部接線圖I合同簽訂后2周內1.3通訊協(xié)議說明（LoR固I合同簽訂后2周內1.4安裝說明書I合同簽訂后10周內2質保文件2.1產品出廠合格證明書I設備交運前10主機與監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議概述本協(xié)議規(guī)定了主機與監(jiān)測系統(tǒng)的通信協(xié)議，所有相關硬件設備都應遵從協(xié)議規(guī)范。協(xié)議標準設

17、置采用RS-485標準接口標準協(xié)議：ModbusRTU&議。特率：9600bps。備地址：1-247（出廠默認值為00H）。訊方式：監(jiān)測主機主機主動發(fā)送命令，便攜主機被動應答。字節(jié)格式編碼系統(tǒng)：8位二進制，十六進制0-9,A-F。數(shù)據(jù)位：1起始位，8位數(shù)據(jù)（低位先送），無奇偶校驗，停止位1位。錯誤校驗區(qū)：循環(huán)冗余校驗（CRC16）RTU錯誤校驗碼為2字節(jié)16位CRC碼。幀格式Modbus信息以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結束點，使接收設備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設備（廣播時對全部設備），以及信息傳輸?shù)慕Y束時間。RTU模式中，信息開始至少需要3.5個字節(jié)的靜止時間，發(fā)

18、送完最后一個字節(jié)后，也有一個3.5個字符的靜止時間。整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間時，則接收設備刷新不完整的信息，并假設下一個地址數(shù)據(jù)。開始地址功能數(shù)據(jù)校驗終止T1-T2-T3-T48bits8bitsN*8bits16bitsT1-T2-T3-T4浮點數(shù)存貯和傳輸格式浮點數(shù)采用IEEE標準的單精度浮點數(shù)格式，如圖所示，每個數(shù)由4字節(jié)組成，數(shù)據(jù)傳輸時，從第一字節(jié)到第四字節(jié)的順序傳送。功能碼功能代碼功能名稱03(0x03)讀寄存器06(0x06)寫單個寄存器16(0x10)寫多個寄存器10.7讀寫保持寄存器地址高字節(jié)低字節(jié)數(shù)據(jù)類型備注00H01H實時數(shù)

19、據(jù)float只讀02H報警狀態(tài)TF卡狀態(tài)uchar只讀03H電池電量uchar只讀04H年月uchar讀寫05H日時uchar06H分秒uchar07H08H報警閾值float讀寫09H報警時間uchar讀寫0AH密鑰設備編號uchar只限485接口0BH系統(tǒng)復位uchar只寫02H報警大態(tài):0=正常，1=報警。TF卡狀態(tài)：0=正常，1=異常。03H、電量：0-100.09H、報警時間：0=0.5s,1=1s,2=2s.0AH、設備編號：1-247.0BH、系統(tǒng)復位：寫入0X00AA可復位。10.8舉例1、讀取設備數(shù)據(jù)與狀態(tài)：010300000007xxxx（地址01）地址功能碼寄存器起始地址

20、寄存器數(shù)量CRC010300000007xxxx從應答：01030700000050120701090C22xxxx地址功能碼字節(jié)數(shù)實時數(shù)據(jù)（4字節(jié)）報警、TF卡01030E3D4CCCCD0000電池電量時間CRC0050120701090C22xxxx實時數(shù)據(jù)0.05Bq/cm2,未報警，TF卡正常，80%18年7月1日9時12分34秒。2、讀取報警時間：010300090001xxxx（地址01）地址功能碼寄存器起始地址寄存器數(shù)量CRC010300090001xxxx從應答：0103020001xxxx地址功能碼字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)CRC0103020001xxxx報警時間為1s.3、寫系統(tǒng)時間:

21、011000040003120701090C22xxxx地址功能碼起始地址寄存器數(shù)量數(shù)據(jù)CRC011000040003120701090C22xxxx從應答：0103020001xxxx地址功能碼起始地址寄存器數(shù)量CRC011000040003xxxx4、系統(tǒng)復位：0106000B00AAxxxx地址功能碼寄存器起始地址數(shù)據(jù)CRC0106000B00AAxxxx從應答：0106000B00AAxxxx（成功原樣返回）地址功能碼寄存器起始地址數(shù)據(jù)CRC0106000B00AAxxxx異常響應出現(xiàn)異常指令時，設置功能碼的MS昉1。這使得異常響應中的功能碼值比正常響應中的功能碼值高0x80,返回異常

22、指令。地址功能碼異常碼CRC0180|xxxxxxxx異常碼內容01非法功能碼02非法數(shù)據(jù)地址03非法數(shù)據(jù)CRC16校驗方式staticconstuint8auchCRCHi=0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x

23、81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x

24、80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x

25、81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x

26、80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40)；staticconstuint8auchCRCLo口=0x00,0xC0,0xC1,0x01,0xC3,0x03,0x02,0xC2,0xC6,0x06,0x07,0xC7,0x05,0xC5,0xC4,0x04,0xCC,0x0C,0x0D,0xCD,0x0F

27、,0xCF,0xCE,0x0E,0x0A,0xCA,0xCB,0x0B,0xC9,0x09,0x08,0xC8,0xD8,0x18,0x19,0xD9,0x1B,0xDB,0xDA,0x1A,0x1E,0xDE,0xDF,0x1F,0xDD,0x1D,0x1C,0xDC,0x14,0xD4,0xD5,0x15,0xD7,0x17,0x16,0xD6,0xD2,0x12,0x13,0xD3,0x11,0xD1,0xD0,0x10,0xF0,0x30,0x31,0xF1,0x33,0xF3,0xF2,0x32,0x36,0xF6,0xF7,0x37,0xF5,0x35,0x34,0xF4,0x3C,0xFC,0xFD,0x3D,0xFF,0x3F,0x3E,0xFE,0xFA,0x3A,0x3B,0xFB,0x39,0xF9,0xF8,0x38,0x28,0xE8,0xE9,0x29,0xEB,0x2B,0x2A,0xEA,0xEE,0x2E,0x2F,0xEF,0x2D,0xED,0xEC,0x2C,0xE4,0x24,0x25,0xE5,0x27,0xE7,0xE6,0x26,0x22,0xE2,0xE3,0x23,0xE1,0x21,0x20,0xE0,0xA0,0x60,0x61,0xA1,0x63,0xA3,0xA2,0x62,0x66,0xA6,0xA7,0x67,