工业网络技术 课件 14 LoRa通信及应用

LoRa通信及应用一、LoRa通信二、典型工业无线通信应用(LoRa)一、LoRa通信1.LoRa通信原理扩频通信（SSC），即扩展频谱通信技术（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽，远大于信息本身的带宽。例如，传输一个64Kbps的数据流，其基带带宽只有64KHz左右，但用扩频技术传送时，它所占据的信道带宽可以被扩展到5MHz，10MHz，甚至更大。与此同时，发射到空间的无线电功率谱（单位带宽内具有的功率），也将大大的降低。常规数字通信，是使用与数据速率相适应的尽可能小的带宽。这是因为带宽数是有限的，而且有很多的用户要分享。扩频通信是尽可能使用最大带宽数，同样的能量在一个大的带宽上传播。增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低。扩频通信的基本思想和理论依据就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。一、LoRa通信除此以外，扩频通信还具有如下特征：（1）是一种数字传输方式。（2）带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的。（3）在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。LoRa是诸多LPWAN通信技术中的一种，是一种基于扩频的调制方式，通过扩频把信号扩展到带宽较宽的噪声中，获得扩频增益。LoRa（LongRange）扩频代表性的扩频方式有两种：直接序列扩频（简称直序扩频，DSSS）；跳频（FHSS）。LoRa技术是直接序列扩频的衍生技术。图1LoRa扩频技术示意图一、LoRa通信频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。目前常见的码型有以下三种：（1）M序列，即最长线性伪随机系列。（2）GOLD序列。（3）WALSH函数正交码。无线收发机中广泛应用的调制方式FSK/GFSK，如果要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度，但温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。与FSK系统相比，使用同样低成本普通晶体时，LoRa扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5倍的传输距离。一、LoRa通信在等同的数据速率条件下，商用LoRa传输距离与穿透能力相比于传统FSK，GFSK等有0.5-0.8倍的提升。LoRa扩频的优势（1）抗干扰能力强，对同频干扰及各种噪声具有极强的抑制能力。减少误码率，即信噪比。（2）发射功率密度低，不易对其他设备造成干扰。（3）保密性高，被截获的可能性极低。（4）具有极好的抗多径衰落性能。一、LoRa通信2.扩频通信原理LoRa扩频技术一经推出，就凭借它惊人的灵敏度、强悍的抗干扰能力、出色的系统容量表现，赢得了广泛的关注。它给人们呈现了一个能实现远距离、长电池寿命、大系统容量、低硬件成本的全新通信技术，而这正是物联网（IoT）所需要的。常见的蓝牙，WiFi，还是LoRa，载波上载的都是数字信号，即0、1这种有效信号。LoRa调制传输中的0和1这种一位数据是用码片来代表的。码片可以理解为在载波频率带宽等其他无线参数设定一致的情况下。发送一个码片的时间是固定的。而扩频就是用多少个码片来代表一位数据。一、LoRa通信在lora软件配置的过程中，有个参数叫做扩频因子，用来设定扩频。一共有6-12七个等级，如图2所示，扩频因子最小设定值为6，这个时候就代表用64个码片来代表一位。当扩频因子设定为7时，就要用128个码片来代表一位。可以看到设定的扩频因子越大，对应的码片数量越多，这样传输一位的时间就会更长。扩频因子和对应的码片数量也是有一定关系，2的6次方是64，2的7次方是128，可以得出结论，扩频因子的设定的越大，抗干扰能力会越强，但是传输速率就会降低。这也导致LoRa通信不适合传输很大的数据量。图2扩频示意图二、典型工业无线通信应用(LoRa)如图所示，某农场为了更好灌溉农作物，计划在农场中心设立一个水塔，并利用电机带动水泵为水塔供水。由于农场较大，电机距离控制中心较远（3km以内）且不易在现场布线，所以决定采用LoRa远程通信技术来实现对电机的闭环控制。控制方案即控制器通过收发模块，将控制数据无线传输至从站的IO端子模块，IO端子模块再通过IO信号与电机驱动器通信，其中电机的相关控制程序已由专业人员编制完成。图3二、典型工业无线通信应用(LoRa)工具/辅件准备USB-RS485双线连接线、422/485-USB（四线/串口）连接线、香蕉头叠插连接线图4(a)USB-RS485双线连接线(b)422/485-USB（四线/串口）连接线(c)香蕉头叠插连接线二、典型工业无线通信应用(LoRa)1.LoRa无线透传模块的设置（1）USB-485串口调试线连接PC与LoRa无线透传模块串口图5二、典型工业无线通信应用(LoRa)（2）查看PC段当前已连接的端口号图6二、典型工业无线通信应用(LoRa)（3）打开无线透传设置工具软件图7二、典型工业无线通信应用(LoRa)（4）选择串口号：COM11（对应PC段连接的端口号），点击“打开串口”图8二、典型工业无线通信应用(LoRa)（5）通信参数配置中，可以根据手册默认先行设置；然后点击“命令模式”，右侧可以查看当前的网络参数、无线参数和通信参数。当前模式可以修改。主要修改“发送频率”与“接收频率”，要与从站的采集块相对应。设置后点击“发送”，成功后点击重启模块。图9二、典型工业无线通信应用(LoRa)（6）使用串口调试软件进行测试，可以看到透传模块中“RXD”、“RFD”数据等闪烁，证明数据发送正常。图10二、典型工业无线通信应用(LoRa)2.LoRa数据采集模块设置（1）USB-485串口调试线连接PC与LoRa采集器485串口图11二、典型工业无线通信应用(LoRa)（2）采集模块的数据接线连接A、B端口。其中A-A、B-B。图12二、典型工业无线通信应用(LoRa)（3）查看PC段当前已连接的端口号图13二、典型工业无线通信应用(LoRa)（4）打开数据采集器设置工具软件图14二、典型工业无线通信应用(LoRa)（5）①选择模块型号：ModBus-8IO6AI2AO；②串口参数设置与透传模块一致（默认参数9600，8，1，None，默认地址1）；采集器的波特率、站地址由拨码开关决定③LoRa串口模式设置为“透传口模式”④参数设置后，点击“开始扫描”（模块若无反应，可以重启模块）图15二、典型工业无线通信应用(LoRa)（5）注意：①透传口模式：为数据采集模块与透传模块连接模式；②主站口模式：为数据采集模块与PC机连接模式。图16二、典型工业无线通信应用(LoRa)（6）连接异常，重置模块。重置操作：模块上电时，按住复位按钮直到RUN灯常亮后松开按钮，RUN灯闪烁两次后熄灭，再将模块断电至少3s后上电，即可恢复出厂参数下图所示连接成功。图17二、典型工业无线通信应用(LoRa)（7）无线参数配置：此处无线参数（扩频因子、编码率等）需要与透传模块保持一致。重点需要设置：发送频率（与透传的接收相一致）和接收频率（与透传的发送相一致）。修改之后点击“发送”图18二、典型工业无线通信应用(LoRa)（8）空中波特率相关的含义和设置方法图19二、典型工业无线通信应用(LoRa)（9）验证1：数字量信号的强制输出。起始地址4，对应Q0.4，数据长度代表输出点位数量，点击“开启”可以强制输出数字量信号图20二、典型工业无线通信应用(LoRa)（10）验证2：模拟量信号的强制输出。数据长度12位，对应0~4095，对应电压0~10V，对应电流0~20mA。右侧边框写入数字，点击“写入”，检测模拟量输出端口。图21二、典型工业无线通信应用(LoRa)（11）数据长度12位，对应0~4095，对应电压0~10V。用万用表的电压档可以测量当前输出端口（V4/4M）的输出电压图22二、典型工业无线通信应用(LoRa)（12）数据长度12位，对应0~4095，对应电流0~20mA。用万用表的电流档可以测量当前输出端口（I4/4M）的输出电流图23二、典型工业无线通信应用(LoRa)（13）设置完成后，关闭串口，然后需要重启模块（断电3s以上），参数方能生效如未能生效，重置模块二、典型工业无线通信应用(LoRa)3.透传模块与数据采集的通信测试（1）利用USB-485连接线分别将LoRa透传模块和数据采集器连接至PC机端口图24二、典型工业无线通信应用(LoRa)（2）打开串口/网络调试助手（串口调试功能），测试数据是否互通。备注：该调试助手需要打开两次。图25二、典型工业无线通信应用(LoRa)（3）选择串口号（两助手分别连接不同的产口号）、波特率，设置检验位、数据位和停止位参数，点击“OPEN”,然后发送数据图26二、典型工业无线通信应用(LoRa)（4）观察LoRa的透传模块和数据采集模块对应的指示灯是否闪烁。两助手互相发送数据，观察是否能在另一助手的界面中读取到该数据。图示即为正常图27二、典型工业无线通信应用(LoRa)4.PLC编程（1）使用485模块建立通信①PORT：选择对应的485模块CM1241（101/102）当前使用102；②修改MODE工作模式4，为485两线模式。其中0为RS232，1~3为RS422四线模式；③需要在“MB_DB”端口，接入主站背景数据块。图28二、典型工业无线通信应用(LoRa)（2）读取数字量输入①MB_ADDR端口，对应数据采集器地址，当前设置为1；②MODE=0，读取模式；DATA_ADDR，数据地址，=10001意为输入线圈的数据地址；DATA_LEN=8，对应采集模块的8个数字量输入位③DATA_PTR，读取后，数据的存放位置；④地址数字量输入通道1-8对应10001-10008，对应数据长度设置为1，即可读取单个位。图29二、典型工业无线通信应用(LoRa)（3）写入并读取数字量输出①MB_ADDR端口，对应数据采集器地址，当前设置为1；②MODE=0，读取模式，MODE=1，写入模式；DATA_ADDR，数据地址，=1意为输出线圈的数据地址（参考LoRa手册）；DATA_LEN=8，对应采集模块的8个数字量输出位；③DATA_PTR，读取模式，对应输出数据的保存位置；写入模式，对应将该处的数据置位到线圈的输出状态；图30二、典型工业无线通信应用(LoRa)④地址数字量输出通道1-8对应1-8，对应数据长度设置为1，即可读取单个位。图31二、典型工业无线通信应用(LoRa)（4）读取模拟量输入①地址模拟量输入通道V1-V3：30001-30003②地址模拟量输入通道A1-A3：30004-30006③DATA_ADDR=6，对应数据采集模块的6个模拟量输入通道口④12位有效数据，即读取后存入的数据值为0~4095。图32二、典型工业无线通信应用(LoRa)（5）写入并读取模拟量输出①地址预留：40001-40006②地址模拟量输出1：40007③地址模拟量输出2：40008④地址预留：40009备注：12位有效数据，写入模拟量输出线圈是，数值范围应为0~4095图33二、典型工业无线通信应用(LoRa)（5）写入并读取模拟量输出①地址预留：40001-40006②地址模拟量输出1：40007③地址模拟量输出2：40008④地址预留：40009备注：12位有效数据，写入模拟量输出线圈是，数值范围应为0~4095图34二、典型工业无线通信应用(LoRa)（5）写入并读取模拟量输出①地址预留：40001-40006②地址模拟量输出