原创《LoRa无线技术在长江重庆航道的应用》
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【摘 要】 本文结合LoRa 无线通信技术,依托航标灯的应用特点.将LoRa 通信装置与一体化航标灯器集成为LoRaMesh 网络的一个通信节点设备.实现长江重庆航道助航设施动态监测和维护、航道维护资源的科学配置和主要信息的可靠发布.该通信节点设备有低功耗、自主组网、免维护、可兼容重庆航道局使用的数字航道系统平台等特点.文章对LoRaMesh 网络的通信节点设备技术特点及应用技术方案做了详细介绍.
【关键词】 LoRa 无线通信技术 航标灯 LoRaMesh 网络随着长江干线兰家沱至鳊鱼溪数字航道工程的正式投入运行,初步实现了航道内水位数据的遥测遥报和自动采集、航标的遥测遥控及数据采集、控制河段通行指挥系统的揭示和指挥,以及航道生产维护管理工作的信息化,但长江重庆航道的航标灯分布地域辽阔,一般运营商无线基站对江面的信号覆盖并不完全,特别是桥区、峡谷等偏远地区,其信号很不稳定或是无信号.由于历史原因,目前辖区1600 余座航标遥测遥控系统终端采用了2G 网络G 模块,使用运营商的网络进行数据交换,同时,使用公共通信网络每年需要支付一笔不小的通信费用,且信号越差通信费用还越高.鉴于以上情况,通过开展LoRa 无线通信技术在长江重庆辖区航道的应用研究,用科技创新来解决上述难题.
一、整体通信方案设计
1.1 通信系统架构
如图1 所示.航道遥测遥控通信系统是由LoRa Node、Gateway 网关、专用网络和重庆航道局总控中心构成.每个航道基地管辖范围内的航标灯通过LoRa 通信装置和测控终端组成LoRa 测控终端设备.每个LoRa 通信装置均为Mesh通信网络上一个Node（LoRa Node）,它既是测控终端的通信节点,又是其他终端的中继节点.所有LoRa Node 都注册到Mesh 通信网络上,在整个航道基地内构成测控网络.在航道基地配备一个或多个Gateway 网关节点,通过Gateway接入重庆航道局的遥测遥控专网.再由专网接入重庆航道局的总控中心.
1.2 Mesh 通信网络
Mesh 通信网络是由众多的LoRa Node 构成,其节点之间自动路由、维护协议.控制中心需要发送设置、查询等命令时,通过安装在各航道基地的Gateway 转发到Mesh 网进行传输.终端需要上报故障,或者进行零故障汇报时,通过网内相邻的Node 转发,或者直接发送到设在各个航道基地的Gatway 网关,然后通过专网传输到重庆航道局总监控中心.
1.2.1 LoRa Node 低功耗设计
为了兼顾通信响应速率和功耗,我们采用了LoRa 的CAD （Channel Activity Detection） 技术.其原理2 所示：LoRa 接收机待机时,周期性唤醒检测信道LoRa 信号,未检测到预设编码规则的信号时立刻进入休眠状态,休眠状态下低功耗约0.2uA.当使用LoRa 参数等于7,BW等于125kHz 时,每次CAD 操作,耗电约17.4uC *1*2. 使用20Hz CAD 频率,平均电流约348uA （性能优良的G 模块待机电流0.9mA）.而此参数仅仅造成50mS 的通信延时.全网128 节点都使用CAD 中继127 次传播时最大附加延时不到6.4 秒.未注册节点扫描发现已经入网的相邻节点.根据路径优化策略挑选发现最优节点,申请加入网络.每个LoRa 测控终端具备8 个字节的UID 码.每个Mesh 网络具备2 个字节的网络识别码（NID）.Node 启用时,首先寻找发现相邻的Node,并通过已经入网的Node 申请注册到Mesh 网,分配到对应的Mesh 网之中合法的Node 身份识别码,此身份识别码与Node UID 唯一绑定.Node 之间相互进行安全认证.
1.2.3 Mesh 内部节点通信
节点与相邻节点之间定时进行通信,维护、更新Mesh网的路由表,此通信模式包含新增的网络运行状态信息.Mesh 网络维护操作由网关发起.如图3 所示,节点守护所处网络位置信道.发送方总是使用相邻节点的信道进行数据发送,完成后返回自己信道等待.
1.2.4 LoRa Mesh 网吞吐量以及实时性
Mesh 网络吞吐量由特殊节点网关的吞吐量决定,本网络使用的LoRa 参数为等于7, BW等于125KHZ,标称空口速率约4.5kbps. 使用CAD 模式时有效吞吐率约2.9kbps.上传数据包航标灯状态数据和故障数据为常态数据包,每包数据长度小于264bit；下传数据包查询和应答数据包为常态数据包,每包数据长度小于96bit；因此网内上下行数据包比如为1：1 时,轮询遍历全部128 个节点时长约需要16 秒；单个极端情况下末梢节点最长通信延时为6.4s+ 0.182s*128 ,约等于30 秒.
1.3 Gateway 网关设计
网关（Gateway）配备.每个航道基地至少配备一个Gateway 网关节点,通过Gateway 接入重庆航道局的遥测遥控专网.Gateway 由LoRa 通信模块,天线,RS485- 以太网转接器等组成.该转接器也可以是一台含有相应接口的工控PC.当控制中心需要发送设置、查询等命令时,通过安装在各航道基地的Gateway 转发到Mesh 网进行传输.不再需要原来的通过短信唤醒终端的通信模式（注：原来的短信唤醒通信模式会产生大量的短信通信费用）.
二、研究成果
2.1 首次将LoRa 无线通信技术在重庆航道进行应用研究,同时与一体化航标灯器集成首次将LoRa 无线通信技术在航道进行应用研究,适应业务模式,使得节点能够高效访问网关,同时,研究LoRa无线通信技术在长江重庆辖区航道的应用,将LoRa 测控装置与一体化航标灯器集成为LoRaMesh 网络的一个通信节点设备.
2.2 研究实现LoRa 终端低功耗
LoRa 通信设备按照低功耗来设计,适应不同节点的能量约束,电路器件支持电源管理,可以在不需要时关闭电源供应,使得通信功耗远低于使用运营商无线网络设备的功耗.
2.3 研究实现遥测遥控终端无线传输零通信费
本项目采用无线LoRa Mesh自主组网进行无线数据传输,实现无线传输零通信费用的目标.
2.4 兼容性研究
研究实现LoRa 终端与现有遥测遥控通信平台的通信协议对接,满足遥测遥控通信系统平台的接入协议要求,并支持ModBus 通信协议,兼容重庆航道局现使用的数字航道系统的遥测遥控通信平台.
2.5 研究LoRa 无线自组网的路由、转发协议,实现可靠通信
LoRa 终端使用自动路由发现并维护协议.由于LoRa 通信距离超长,在每个节点有效通信区域内的相邻节点一般都不止一个,而每个节点都是通信网络的备份路径节点,这样就可以获得多路径备份,如果个别终端节点出现通信链路中断故障, 那么其他正常工作的终端节点会自动承担中继任务,无需人工干预维护通信链路, 待维护故障终端节点之后, 新加入的终端设备会自行寻找网络、发现网络、并加入通信链路,达到可靠、持续、不间断通信的目的.
三、结束语
本系统采用先进的LoRa 无线通信技术,提高信息化水平.在实用、 适用的基础上积极技术创新、应用创新和管理创新,实现通信方式的彻底变革、零通信费的目标,该通信系统有着低功耗、免维护、通信稳定等优点.提升了系统的可靠性、大幅降低系统的运营维护成本,值得在全国航道内推广.
无线技术论文参考资料：
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