工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 14 LoRa通信及應(yīng)用

LoRa通信及應(yīng)用一、LoRa通信二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)一、LoRa通信1.LoRa通信原理擴(kuò)頻通信（SSC），即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號的帶寬，遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。例如，傳輸一個64Kbps的數(shù)據(jù)流，其基帶帶寬只有64KHz左右，但用擴(kuò)頻技術(shù)傳送時，它所占據(jù)的信道帶寬可以被擴(kuò)展到5MHz，10MHz，甚至更大。與此同時，發(fā)射到空間的無線電功率譜（單位帶寬內(nèi)具有的功率），也將大大的降低。常規(guī)數(shù)字通信，是使用與數(shù)據(jù)速率相適應(yīng)的盡可能小的帶寬。這是因為帶寬數(shù)是有限的，而且有很多的用戶要分享。擴(kuò)頻通信是盡可能使用最大帶寬數(shù)，同樣的能量在一個大的帶寬上傳播。增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低。擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，這樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。一、LoRa通信除此以外，擴(kuò)頻通信還具有如下特征：（1）是一種數(shù)字傳輸方式。（2）帶寬的展寬是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)(擴(kuò)頻函數(shù))對被傳信息進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。（3）在接收端使用相同的擴(kuò)頻函數(shù)對擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，還原出被傳信息。LoRa是諸多LPWAN通信技術(shù)中的一種，是一種基于擴(kuò)頻的調(diào)制方式，通過擴(kuò)頻把信號擴(kuò)展到帶寬較寬的噪聲中，獲得擴(kuò)頻增益。LoRa（LongRange）擴(kuò)頻代表性的擴(kuò)頻方式有兩種：直接序列擴(kuò)頻（簡稱直序擴(kuò)頻，DSSS）；跳頻（FHSS）。LoRa技術(shù)是直接序列擴(kuò)頻的衍生技術(shù)。圖1LoRa擴(kuò)頻技術(shù)示意圖一、LoRa通信頻譜的擴(kuò)展是用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)的。在一個二進(jìn)制碼位的時段內(nèi)用一組新的多位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的帶寬，從而將信號的帶寬進(jìn)行了擴(kuò)展。這些新的碼型也叫偽隨機(jī)（PN）碼，碼位越長系統(tǒng)性能越高。通常，商用擴(kuò)頻系統(tǒng)PN碼碼長應(yīng)不低于12位，一般取32位，軍用系統(tǒng)可達(dá)千位。目前常見的碼型有以下三種：（1）M序列，即最長線性偽隨機(jī)系列。（2）GOLD序列。（3）WALSH函數(shù)正交碼。無線收發(fā)機(jī)中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式FSK/GFSK，如果要進(jìn)一步減小FSK系統(tǒng)的接收機(jī)帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度，但溫補(bǔ)晶振的價錢將是普通晶體的三倍。與FSK系統(tǒng)相比，使用同樣低成本普通晶體時，LoRa擴(kuò)頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當(dāng)于增加了5倍的傳輸距離。一、LoRa通信在等同的數(shù)據(jù)速率條件下，商用LoRa傳輸距離與穿透能力相比于傳統(tǒng)FSK，GFSK等有0.5-0.8倍的提升。LoRa擴(kuò)頻的優(yōu)勢（1）抗干擾能力強(qiáng)，對同頻干擾及各種噪聲具有極強(qiáng)的抑制能力。減少誤碼率，即信噪比。（2）發(fā)射功率密度低，不易對其他設(shè)備造成干擾。（3）保密性高，被截獲的可能性極低。（4）具有極好的抗多徑衰落性能。一、LoRa通信2.擴(kuò)頻通信原理LoRa擴(kuò)頻技術(shù)一經(jīng)推出，就憑借它驚人的靈敏度、強(qiáng)悍的抗干擾能力、出色的系統(tǒng)容量表現(xiàn)，贏得了廣泛的關(guān)注。它給人們呈現(xiàn)了一個能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大系統(tǒng)容量、低硬件成本的全新通信技術(shù)，而這正是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）所需要的。常見的藍(lán)牙，WiFi，還是LoRa，載波上載的都是數(shù)字信號，即0、1這種有效信號。LoRa調(diào)制傳輸中的0和1這種一位數(shù)據(jù)是用碼片來代表的。碼片可以理解為在載波頻率帶寬等其他無線參數(shù)設(shè)定一致的情況下。發(fā)送一個碼片的時間是固定的。而擴(kuò)頻就是用多少個碼片來代表一位數(shù)據(jù)。一、LoRa通信在lora軟件配置的過程中，有個參數(shù)叫做擴(kuò)頻因子，用來設(shè)定擴(kuò)頻。一共有6-12七個等級，如圖2所示，擴(kuò)頻因子最小設(shè)定值為6，這個時候就代表用64個碼片來代表一位。當(dāng)擴(kuò)頻因子設(shè)定為7時，就要用128個碼片來代表一位?？梢钥吹皆O(shè)定的擴(kuò)頻因子越大，對應(yīng)的碼片數(shù)量越多，這樣傳輸一位的時間就會更長。擴(kuò)頻因子和對應(yīng)的碼片數(shù)量也是有一定關(guān)系，2的6次方是64，2的7次方是128，可以得出結(jié)論，擴(kuò)頻因子的設(shè)定的越大，抗干擾能力會越強(qiáng)，但是傳輸速率就會降低。這也導(dǎo)致LoRa通信不適合傳輸很大的數(shù)據(jù)量。圖2擴(kuò)頻示意圖二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)如圖所示，某農(nóng)場為了更好灌溉農(nóng)作物，計劃在農(nóng)場中心設(shè)立一個水塔，并利用電機(jī)帶動水泵為水塔供水。由于農(nóng)場較大，電機(jī)距離控制中心較遠(yuǎn)（3km以內(nèi)）且不易在現(xiàn)場布線，所以決定采用LoRa遠(yuǎn)程通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的閉環(huán)控制?？刂品桨讣纯刂破魍ㄟ^收發(fā)模塊，將控制數(shù)據(jù)無線傳輸至從站的IO端子模塊，IO端子模塊再通過IO信號與電機(jī)驅(qū)動器通信，其中電機(jī)的相關(guān)控制程序已由專業(yè)人員編制完成。圖3二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)工具/輔件準(zhǔn)備USB-RS485雙線連接線、422/485-USB（四線/串口）連接線、香蕉頭疊插連接線圖4(a)USB-RS485雙線連接線(b)422/485-USB（四線/串口）連接線(c)香蕉頭疊插連接線二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)1.LoRa無線透傳模塊的設(shè)置（1）USB-485串口調(diào)試線連接PC與LoRa無線透傳模塊串口圖5二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（2）查看PC段當(dāng)前已連接的端口號圖6二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（3）打開無線透傳設(shè)置工具軟件圖7二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（4）選擇串口號：COM11（對應(yīng)PC段連接的端口號），點(diǎn)擊“打開串口”圖8二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（5）通信參數(shù)配置中，可以根據(jù)手冊默認(rèn)先行設(shè)置；然后點(diǎn)擊“命令模式”，右側(cè)可以查看當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、無線參數(shù)和通信參數(shù)。當(dāng)前模式可以修改。主要修改“發(fā)送頻率”與“接收頻率”，要與從站的采集塊相對應(yīng)。設(shè)置后點(diǎn)擊“發(fā)送”，成功后點(diǎn)擊重啟模塊。圖9二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（6）使用串口調(diào)試軟件進(jìn)行測試，可以看到透傳模塊中“RXD”、“RFD”數(shù)據(jù)等閃爍，證明數(shù)據(jù)發(fā)送正常。圖10二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)2.LoRa數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置（1）USB-485串口調(diào)試線連接PC與LoRa采集器485串口圖11二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（2）采集模塊的數(shù)據(jù)接線連接A、B端口。其中A-A、B-B。圖12二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（3）查看PC段當(dāng)前已連接的端口號圖13二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（4）打開數(shù)據(jù)采集器設(shè)置工具軟件圖14二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（5）①選擇模塊型號：ModBus-8IO6AI2AO；②串口參數(shù)設(shè)置與透傳模塊一致（默認(rèn)參數(shù)9600，8，1，None，默認(rèn)地址1）；采集器的波特率、站地址由撥碼開關(guān)決定③LoRa串口模式設(shè)置為“透傳口模式”④參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊“開始掃描”（模塊若無反應(yīng)，可以重啟模塊）圖15二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（5）注意：①透傳口模式：為數(shù)據(jù)采集模塊與透傳模塊連接模式；②主站口模式：為數(shù)據(jù)采集模塊與PC機(jī)連接模式。圖16二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（6）連接異常，重置模塊。重置操作：模塊上電時，按住復(fù)位按鈕直到RUN燈常亮后松開按鈕，RUN燈閃爍兩次后熄滅，再將模塊斷電至少3s后上電，即可恢復(fù)出廠參數(shù)下圖所示連接成功。圖17二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（7）無線參數(shù)配置：此處無線參數(shù)（擴(kuò)頻因子、編碼率等）需要與透傳模塊保持一致。重點(diǎn)需要設(shè)置：發(fā)送頻率（與透傳的接收相一致）和接收頻率（與透傳的發(fā)送相一致）。修改之后點(diǎn)擊“發(fā)送”圖18二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（8）空中波特率相關(guān)的含義和設(shè)置方法圖19二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（9）驗證1：數(shù)字量信號的強(qiáng)制輸出。起始地址4，對應(yīng)Q0.4，數(shù)據(jù)長度代表輸出點(diǎn)位數(shù)量，點(diǎn)擊“開啟”可以強(qiáng)制輸出數(shù)字量信號圖20二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（10）驗證2：模擬量信號的強(qiáng)制輸出。數(shù)據(jù)長度12位，對應(yīng)0~4095，對應(yīng)電壓0~10V，對應(yīng)電流0~20mA。右側(cè)邊框?qū)懭霐?shù)字，點(diǎn)擊“寫入”，檢測模擬量輸出端口。圖21二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（11）數(shù)據(jù)長度12位，對應(yīng)0~4095，對應(yīng)電壓0~10V。用萬用表的電壓檔可以測量當(dāng)前輸出端口（V4/4M）的輸出電壓圖22二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（12）數(shù)據(jù)長度12位，對應(yīng)0~4095，對應(yīng)電流0~20mA。用萬用表的電流檔可以測量當(dāng)前輸出端口（I4/4M）的輸出電流圖23二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（13）設(shè)置完成后，關(guān)閉串口，然后需要重啟模塊（斷電3s以上），參數(shù)方能生效如未能生效，重置模塊二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)3.透傳模塊與數(shù)據(jù)采集的通信測試（1）利用USB-485連接線分別將LoRa透傳模塊和數(shù)據(jù)采集器連接至PC機(jī)端口圖24二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（2）打開串口/網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手（串口調(diào)試功能），測試數(shù)據(jù)是否互通。備注：該調(diào)試助手需要打開兩次。圖25二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（3）選擇串口號（兩助手分別連接不同的產(chǎn)口號）、波特率，設(shè)置檢驗位、數(shù)據(jù)位和停止位參數(shù)，點(diǎn)擊“OPEN”,然后發(fā)送數(shù)據(jù)圖26二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（4）觀察LoRa的透傳模塊和數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)的指示燈是否閃爍。兩助手互相發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察是否能在另一助手的界面中讀取到該數(shù)據(jù)。圖示即為正常圖27二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)4.PLC編程（1）使用485模塊建立通信①PORT：選擇對應(yīng)的485模塊CM1241（101/102）當(dāng)前使用102；②修改MODE工作模式4，為485兩線模式。其中0為RS232，1~3為RS422四線模式；③需要在“MB_DB”端口，接入主站背景數(shù)據(jù)塊。圖28二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（2）讀取數(shù)字量輸入①M(fèi)B_ADDR端口，對應(yīng)數(shù)據(jù)采集器地址，當(dāng)前設(shè)置為1；②MODE=0，讀取模式；DATA_ADDR，數(shù)據(jù)地址，=10001意為輸入線圈的數(shù)據(jù)地址；DATA_LEN=8，對應(yīng)采集模塊的8個數(shù)字量輸入位③DATA_PTR，讀取后，數(shù)據(jù)的存放位置；④地址數(shù)字量輸入通道1-8對應(yīng)10001-10008，對應(yīng)數(shù)據(jù)長度設(shè)置為1，即可讀取單個位。圖29二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（3）寫入并讀取數(shù)字量輸出①M(fèi)B_ADDR端口，對應(yīng)數(shù)據(jù)采集器地址，當(dāng)前設(shè)置為1；②MODE=0，讀取模式，MODE=1，寫入模式；DATA_ADDR，數(shù)據(jù)地址，=1意為輸出線圈的數(shù)據(jù)地址（參考LoRa手冊）；DATA_LEN=8，對應(yīng)采集模塊的8個數(shù)字量輸出位；③DATA_PTR，讀取模式，對應(yīng)輸出數(shù)據(jù)的保存位置；寫入模式，對應(yīng)將該處的數(shù)據(jù)置位到線圈的輸出狀態(tài)；圖30二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)④地址數(shù)字量輸出通道1-8對應(yīng)1-8，對應(yīng)數(shù)據(jù)長度設(shè)置為1，即可讀取單個位。圖31二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（4）讀取模擬量輸入①地址模擬量輸入通道V1-V3：30001-30003②地址模擬量輸入通道A1-A3：30004-30006③DATA_ADDR=6，對應(yīng)數(shù)據(jù)采集模塊的6個模擬量輸入通道口④12位有效數(shù)據(jù)，即讀取后存入的數(shù)據(jù)值為0~4095。圖32二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（5）寫入并讀取模擬量輸出①地址預(yù)留：40001-40006②地址模擬量輸出1：40007③地址模擬量輸出2：40008④地址預(yù)留：40009備注：12位有效數(shù)據(jù)，寫入模擬量輸出線圈是，數(shù)值范圍應(yīng)為0~4095圖33二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（5）寫入并讀取模擬量輸出①地址預(yù)留：40001-40006②地址模擬量輸出1：40007③地址模擬量輸出2：40008④地址預(yù)留：40009備注：12位有效數(shù)據(jù)，寫入模擬量輸出線圈是，數(shù)值范圍應(yīng)為0~4095圖34二、典型工業(yè)無線通信應(yīng)用(LoRa)（5）寫入并讀取模擬量輸出①地址預(yù)留：40001-40006②地址模擬量輸出