LoRa技术及其在智慧路灯中的应用研究

发布时间：2020-05-29 03:47

【摘要】：随着社会经济的迅速发展,城市化建设的加快,智慧城市也逐步被纳入国家城市建设规划当中。在智慧城市建设过程中,路灯作为城市道路照明基础设施,是智慧城市建设的一个重要组成部分,与人们的生活息息相关,对其进行高效智能的控制与管理有着重要的意义。本文针对智慧路灯系统的需求,通过对比发现PLC、WiFi、ZigBee等物联网通信技术在路灯控制上存在通信距离短、功耗高、成本高等问题,选择了低功耗、远距离、抗干扰能力强的LoRa技术,设计并实现了基于LoRa的智慧路灯系统。为此进行了如下一系列研究工作:根据基于LoRa的智慧路灯系统的需求与设计目标,在组网方面,通过分析影响无线传感网节点能耗的因素,采用周期性监听与休眠,以及LoRa的CAD信道检测模式来降低节点的功耗。提出收发双频的集中式轮询TDMA协议,采用上行链路频率与下行链路频率分开的办法,有效避免了节点之间的串音问题,进一步优化了网络的传输性能。设计并实现了基于LoRa的智慧路灯系统。系统分为LoRa路灯控制器,LoRa路灯网关,以及智慧路灯管控平台和移动端软件四部分。其中,LoRa路灯控制器与LoRa路灯网关以LoRa进行通信,实现对路灯的控制与状态信息采集;LoRa路灯网关与智慧路灯管控平台通过GPRS通信,实现数据的转发与局部控制等功能;智慧路灯管控平台与移动端软件用于实现对智慧路灯的管理和控制。最后,对系统进行测试与分析,测试结果表明,系统在硬件特性、功耗、通信距离和功能上都达到了预期目标,具有良好的应用前景。
【图文】：

图 2.1 扩频通信原理框图香农定理中，阐述了信息传输的速率与信道带宽和信噪比之间的关系，并给出香农公式（2.1）：2log (1 )SC WN= × + （ 2.1）在公式（2.1）中：C 表示信息的传输速率，单位为 b/s；W 表示信号的频带宽度，单位为 Hz；S 为有用信号平均功率，单位为 w；N 是噪声的平均功率，单位为 w。从公式中可以看出，通信的质量可以通过提高信息的传输速率 C 来获得。然而在 C 为定值时，带宽 W 和信噪比 S/N 之间成反比，，那么可以采用更大的带宽来得到较小的信噪比。扩频通信的原理就是通过增加信号的带宽 W 来获得更小的信噪比 S/N。LoRa 就是基于扩频调制原理，将有效信息的每个信息位进行多位编码，增加位宽来实现，从而在较低的信噪比下实现通信，提高了接收机的灵敏度，扩大了通信范围[28]。

6 64 -5dB7 128 -7.5dB8 256 -10dB9 512 -12.5dB10 1024 -15dB11 2048 -17.5dB12 4096 -20dBLoRa 数据包结构oRa 拥有两种类型的数据包格式：显示数据包格式和隐式数据包格的区别在于，显示数据包格式比隐式数据包格式多了一个报头，在包含了有效负载的长度，数据的编码率，和是否开启了负载的 16 等信息。完整的 LoRa 数据包包含前导码（Preamble）、可选报头（H的有效负载（Payload）三部分[30]。一个完整的 LoRa 数据包结构如
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU113.666;TP391.44;TN929.5

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本文编号：2686337