基于LoRa的低功耗传感网组网协议研究与实现

发布时间：2020-04-08 13:35

【摘要】：伴随着经济社会的快速发展,无线传感器网络的应用领域也愈加广泛,从传统的军事、工业领域的应用到现在的智能家居、人体健康、环境监测等领域,无不彰显其具重要的应用价值。但无线传感器网络的发展也遇到了一些问题,如信号传输距离与功耗难以平衡的问题,不过随着低功耗广域网技术的发展,这个问题也迎刃而解。LoRa就是一种新兴的低功耗广域网技术,同时该技术还具有工作频段免授权的特点,近些年已经在世界各地获得广泛的应用。本文首先介绍了基于LoRa的低功耗传感网组网协议的研究背景以及低功耗传感网和LoRa的研究现状;然后介绍了无线传感器网络的系统架构、特点、应用场景,随后介绍了传感器节点的模块功耗和低功耗传感网的设计策略,然后又介绍了LoRa技术特点、LoRaWAN网络架构和软件层次结构。并通过研究及实际测试发现了LoRaWAN架构存在个别场景下单网关的覆盖范围不足和采用纯的Aloha协议导致数据传输成功率低的问题。然后针对现有机制未能解决两跳节点的随机接入问题和其存在两跳节点的入网时延及数据传输时延过大问题,提出了一种新的节点入网机制和一种新的两跳TDMA时隙分配机制,然后基于这两种新机制设计了基于LoRa的两跳TDMA组网协议,并详细阐述了网关节点的操作过程,中继节点的操作过程和终端节点的操作过程。之后通过将该协议应用于基于LoRa的远程自动抄表系统中进行实现,实现主要是在锐米通信的LoRa终端开发板和个人电脑上进行,并基于Contiki系统平台开发实现该系统。最后通过对该系统的节点组网、数据传输、网关吞吐量和节点功耗进行测试,验证了基于LoRa的两跳TDMA组网协议能够解决LoRa在实际应用中存在的问题,达到预期效果。此外还对提出的两种新机制与旧机制分别在节点入网时延和数据包传输时延方面进行对比测试与分析,结果表明新机制在这两方面有着明显的优势,并且这种优势会随着网内节点的增多而更加明显。最后总结全文,对基于LoRa的两跳TDMA组网协议的未来工作进行了展望。
【图文】：

层次结构图,协议栈,层次结构

图 2.4 协议栈层次结构 LoRaWAN 的软件层次结构中，各层的功能如下：理层：主要作用是负责 LoRa 无线信号的收发与调制解调，物理层号的工作频段因地区的不同而不同。具体地区工作频段为：欧盟 8633MHz 频段、美国 915MHz 频段、亚洲地区 430MHz 频段等。AC 层：主要负责 LoRa 信号接入控制、逻辑链路的管理。LoRa 的三种不同的设备类别[39]分别为：Class A、Class B 和 Class C。详细介绍 Class Aass A 是 LoRaWAN 协议 MAC 层的基础通信模式，其允许终端与网信。如图 2.5 所示，终端在发给网关一个上行信号后方可进行下行通一个上行信号后打开两个接收窗口。上行通信的信号传输参数与终端求有关，下行通信的信号参数与上行一致。

正面图,开发板,个人电脑,终端

图 4.3 系统实际工作图件平台系统开发实现的硬件平台主要有个人电脑、锐米通信的 LoRa 终端K V2 仿真器以及 USB 转 TTL 串口线。其中个人电脑和仿真器及串介绍，下面将详细介绍锐米通信的 LoRa 终端开发板。米通信的 LoRa终端开发板是一款集成了 MCU与 LoRa无线射频模该开发板的实物如和所示。其中图 4.4 为该开发板的正面图，该开CU 模块，该模块的 MCU 采用意法半导体推出的基于 8 位内核的器 STM8LC8T6 作为控制芯片，与 32 位的 MCU 相比，8 位 MCU 功小，更适合无线传感网络。该芯片的最高工作频率为 16MHz，同时拥和 64KB 的 ROM，低功耗出色且性能稳定，，这些参数都能满足系
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5;TP212.9

【参考文献】