《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LoRa的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
余欣如，蘇淑靖，蔡磊
中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院 省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要： 有線傳感網(wǎng)絡(luò)成本高、布線復(fù)雜、維護(hù)擴(kuò)展困難，大部分無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在功耗與傳輸距離間難以平衡。針對(duì)以上問(wèn)題提出基于LoRa的遠(yuǎn)程無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)?；跀U(kuò)頻技術(shù)的LoRa具有極強(qiáng)的抗干擾穿透能力和很廣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，結(jié)合MAC層的防碰撞機(jī)制和功率自適應(yīng)算法的復(fù)合組網(wǎng)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)多終端情況下時(shí)延0.01 s的1 km內(nèi)可靠無(wú)線通信。
中圖分類(lèi)號(hào)：TN825 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245408
中文引用格式： 余欣如，蘇淑靖，蔡磊. 基于LoRa的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(10)：57-62.
英文引用格式： Yu Xinru，Su Shujing，Cai Lei. Design of wireless sensor network based on LoRa[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(10)：57-62.
Design of wireless sensor network based on LoRa
Yu Xinru，Su Shujing，Cai Lei
State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology， School of Instrumentation and Electronics， North University of China
Abstract： Wired sensor networks have high cost, complex wiring, difficult maintenance and expansion, and most wireless sensor networks are difficult to balance between power consumption and transmission distance. To solve the above problems, this paper proposes a remote wireless sensor network based on LoRa. Based on spread spectrum technology, LoRa has strong anti-interference penetration ability and wide network coverage. Combined with the anti-collision mechanism of MAC layer and the composite networking protocol of power adaptive algorithm, it can achieve reliable wireless communication within 1 km with a delay of 0.01 s in the case of multiple terminals.
Key words : wireless sensor network；LoRa；anti-collision mechanism；power adaptive

引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)通信技術(shù)分為有線和無(wú)線通信兩大類(lèi)[1]。其中，有線通信存在成本高、施工和調(diào)試過(guò)程繁瑣、維護(hù)擴(kuò)展困難等普遍局限性。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)融合分布式信息處理技術(shù)，具有組網(wǎng)靈活、互動(dòng)友好等優(yōu)勢(shì)，能簡(jiǎn)化設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約成本，是提升IoT監(jiān)測(cè)管理水平的優(yōu)勢(shì)技術(shù)。近年來(lái)，WSN在IoT中得到廣泛應(yīng)用[2-8]，包括醫(yī)療、交通、家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多種通信場(chǎng)景。

IoT中有許多先進(jìn)的WSN可供選擇[9]。Woo-García等基于Wi-Fi和樹(shù)狀拓?fù)浣⒘擞糜诃h(huán)境檢測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[10]；朱新強(qiáng)等基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)[11]，并利用ESP8266 Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與PC端之間的無(wú)線通信。但Wi-Fi的通信距離較短，且功耗高、節(jié)點(diǎn)少，網(wǎng)絡(luò)不易擴(kuò)展。曹現(xiàn)剛等基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了礦用設(shè)備數(shù)據(jù)采集分站[12]；冼鋰東等基于ZigBee設(shè)計(jì)了機(jī)房物料管理系統(tǒng)[13]；石云東等基于ZigBee設(shè)計(jì)了煤礦遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14]。但ZigBee使用2.4 GHz頻段，導(dǎo)致信號(hào)穿透能力較差、覆蓋范圍較小，僅適用于短距離傳輸，不適合大范圍鋪設(shè)監(jiān)測(cè)。

LoRa是基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗、遠(yuǎn)距離的WSN，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和組網(wǎng)便捷的優(yōu)勢(shì)，可有效防止同頻串?dāng)_。綜上所述，本文基于LoRa設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，在MAC層協(xié)議中進(jìn)行了防碰撞機(jī)制和功率自適應(yīng)的設(shè)計(jì)，使得本網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延小、功耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)多終端、遠(yuǎn)距離的可靠無(wú)線通信。


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作者信息：

余欣如，蘇淑靖，蔡磊

（中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院 省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）


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