LoRa ES920LR ：解锁物联网性能潜力
芯格瑞 Slab
2024年04月19日 18:02 北京
●LoRa ●
LoRa（长距离射频）技术是一种用于低功耗广域网（LPWAN）的通信技术。LoRa技术基于扩频调制，通过频率扩展将数据信号分散到较宽的频率带内，从而提高抗干扰能力和覆盖范围。LoRaWAN协议则定义了设备与网络之间的通信规则，包括设备的注册、数据传输和安全性等方面。这一组合使得LoRa技术成为低功耗广域网的理想选择，为物联网应用提供了可靠的连接和长期的电池寿命，适用于从城市到农村的各种场景。
● 摘要 ●
在本研究中，所使用的LoRa是ES920LR。LoRa ES920LR在日本使用的频率是920 MHz，LoRa ES920LR的尺寸很小，大小为24.00 x 17.0 x 2.3毫米，自由空间路径损耗（FSPL）下的范围为3公里；在不同的室外环境条件下，RSSI值（-dBm）存在差异。
此外，ES920LR被用作人体心率数据的发射机和接收机。所使用的心率传感器是放置在人指尖上的脉搏传感器。在建筑位置的视线范围内，距离710米时，RSSI值（-dBm）显示为-119 dBm，PRR（％）为93.94％。ES920LR与Leafony板结合成为Leafony板LoRa ES920LR。由于其小尺寸，可以将其放置在无人机或无人机上，并与GPS结合使用作为ES920LR传播因子和信号功率LoRa分析的导航。
● 01介绍 ●
最近，物联网技术中的低数据速率（bps）传输技术不断增加。通过LoRa（长距离）无线电频率以及其他竞争对手设备，如NB-IoT，从数据传输距离（km）和尺寸等方面来看。LoRa的尺寸或尺寸越小，分析时越灵活。
此外，通过分析LoRa服务器能力的点对点通信和多点网状分析，进行了LoRa服务质量（QoS）在室外环境无线电传播条件下的分析，会导致信号衰减和数据包。在这项研究中，不同损耗（-dBm）和小吞吐量的LoRa数据进行了研究，通过将放置在人指尖上的心率传感器使用长距离（LoRa）ES920LR发送来进行健康监测部门的研究。
LoRa ES920LR支持LoRaWAN应用程序，LoRAWAN允许LoRa端节点传感器数据实时显示在应用程序服务器上。在研究中，LoRAWAN测试使用MATLAB软件进行了模拟。在一项研究中，进行了LoRa服务质量分析，主要是关于数据包丢失或数据丢失和数据传输。在研究中，使用的传感器是BME280传感器，LoRa使用的是Dragino 915 MHz进行室外环境测试。
● 02理论 ●
1）用于 Tx 和 Rx 的 ES920LR LoRa 板
ES920LR是由EASEL发布的LoRa射频设备，工作频率为920MHz，旨在支持物联网（IoT）设备。如图1所示，LoRa的尺寸见图2。此外，表格I比较了LoRa与其他无线传感器网络设备在覆盖距离和传输速度方面的差异。LoRa信号调制采用CHIRP信号，已在研究中描述。在这项研究中，信号处理是通过信号分析仪LoRa完成的。
图1. EASEL Inc ES920LR（MeRL 数据）
图2. ES920LR 尺寸（MeRL 数据）
设计过程中，Leafony板与EASEL ES920LR的组合进行了测试，LoRa ES920LR与Leafony板的连接如表2所示。此外，LoRa层由LoRa协议帧组成，即物理层、MAC层和应用层。层之间的关系可以在图1和2中看到。
表1. 无线技术的范围、功率和传输速度
表2. Leafony板和ES920LR引脚连接
2）ES920LR搭载在Leafony板和迷你无人机上
图3展示了LoRa ES920LR在Leafony板上的设计。下一个目标是将LoRa ES920LR安装在无人机上，并在部署级别或SF 7-12进行分析。此外，使用信号功率（-dBm）的分析参数来确定无人机的位置。在研究中，使用无人机进行了LoRa-IoT分析。
图3. ES920LR Leafony PCB Board (MeRL Data)
图4. ES920LR在无人机上的测量分析（MeRL数据）
图4是在室外环境中测量QoS ES920LR时的设计。不同位置和姿态的无人机显示了额外的扩频因子（SF 7-12）。扩频因子显示了发射机和接收机之间的约定，如图5所示。SF越大，发射机和接收机之间的距离越远。在大的SF下，信号衰减（-dBm）更显著，而在小的SF下，RSSI（-dBm）更大。ES920LR的带宽为125 kHz，无线通道为10。此外，LoRaWAN类必须理解LoRa与物联网（IoT）的结合。
图5. 扩频因子和距离比较
LoRaWAN分为三个类别，即A类（全部）、B类（信标）和C类（连续）。如图6所示，区别在于设备配置用于A类的终节点与网关之间的通信，发射器在时间t1或Trx_delay1发送数据到接收器1（Rx1），同时在不同距离的时间Trx_delay2发送到接收器二，因此可以推导出ToA_TxRx1和ToA_TxRx2的值。可以得出PRR（%）、传感器节点能量（Etx）和接收信号强度。
因此，Rx1和Rx2的位置与SF参数值密切相关。在A类中，上行和下行过程中，终端节点将数据发送到网关，这是上行过程，反之，从网关发送数据到每个终端节点的过程称为下行，在不同的时间，例如从Tx到Rx1，完成后再从Tx到Rx2，因此存在延迟时间。
图6. LoRaWAN的类型
此外，B类几乎与A类相同。不同之处在于信标。信标1和信标2是静态状态的发射器，位于一定距离之内。因此，数据需要从RX1转发到信标2，在这种情况下，需要添加接收器（Rx2），直到信息到达信标2为止。因此需要添加接收器，即Rx3、Rx4等，直到数据以信标时间到达信标2。此外，C类是一个条件，其中发射器（Tx）将数据发送到Rx1和Rx2，然后在上行过程中由Rx3等继续，直到到达预期的Tx节点，即所谓的Rx继续。请注意，A、B和C类具有不同的配置或功能。在研究中，对低功耗广域网使用帧技术的效率进行了研究。
● 03方法与硬件 ●
在静态或非移动条件下，采用自适应数据速率（ADR）算法。然而，在驾驶情况下，需要一种机制来调节能量或功耗（mW）。多种方法可以调节功耗，包括通过将边缘路由器和终端节点放置在每个组中来进行路由方法。只有边缘路由器向接收器发送数据。第二种方法是使用延迟从终端节点1、终端节点2等发送数据（bps），或者采用调度方法。交替发送数据；因此，不会发生导致数据包丢失和同时接收数据时的过载的数据冲突。
LoRa方法的下一步是使用睡眠模式，注意程序，并在这项研究中使用伪代码。在研究中，优化IoT LoRa节点数量的方法是采用功耗方法，使用碰撞避免资源分配（CARA）算法：
1. Analyze the ES920LR Library
#include CLoRa.h>
#include cavr/sleep.h>
2. Command to Sleep
void Going_To_Sleep(){
rf95.sleep();
sleep_enable();
attachlnterrupt(0, wakeUp, LOW);
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW) ;
delay(1000);
sleep_cpu();
Serial.println("Stop Transmit data LoRa and
Sleep! ");
digitalWrite(LED_BUILTIN,HIGH);
3. Command to WakeUp
void wakeUp()
Serial.println("Transmit data LoRa!");
sleep_disable();
detachlnterrupt(0);
=== Sleep Mode on End Node LoRa ====
由于尺寸或尺寸方面仍不完美，所得的硬件如图7所示。然而，它代表了对发送数据和分析数据传播过程的研究的完成。此外，BPM输出包括3个标准，即正常、心动过速和心动过缓，这些标准在Arduino软件处理中描述，并将数据发送到Thingspeak应用服务器。
图7. ES920LR LoRa原型
● 04结果与讨论 ●
第四章中显示的输出是在室外环境中进行的测量测试的结果。根据方程9，空中时间（ToA）由Tpreamble和Tpayload确定，但也由带宽（BW）或带宽和扩频因子（SF）确定。带宽越大，空中时间（ToA）将更快，以毫秒为单位。反之，带宽值越小，空中时间（ToA）就越长。此外，扩频因子值越大，完成数据传输过程所需的时间就越长。扩频因子的比较可以在图8中看到。LoRa ES920LR的比特率也遵循相同的规律，见方程7和8。带宽越大，扩频因子越小，将产生显著的比特率（bps）。反之，带宽较小，扩频因子较大，将产生较小的比特率值（bps）。请参考图9。
图8. ES920LR LoRa的空中时间（ToA）
图9. ES920LR LoRa的比特率和带宽
图10显示了2个LoRa参数，即920.6 MHz频率下的LoRa ES920LR信号功率和920.6 MHz频率中心的CHIRP LoRa。这些结果是在将LoRa信号数据从LoRa ES920LR发射器发送到LoRa ES920LR接收器的920.6 MHz频率时实时显示的。ES920LR LoRa信号在发射器和接收器相距1米时的值为-30 dBm。而CHIRP ES920LR显示数据可以正确发送，数据传输还受到每个终端节点在传输数据时给定的延迟的影响。
用柱状图显示了在几种条件下传输LoRa ES920LR数据的测试结果，包括山丘障碍物和直线视线建筑物，以及PRR或数据包接收比率（%）。在846.37米的距离处，在图11中显示了-140 dBm的RSSI值。而在直线视线（LOS）上，距离为710.18米时，在图12中显示的RSSI为-119 dBm，这相当显著，表明当LoRa ES920LR信号经过可怕的山丘障碍物时会遇到困难。此外，在1公里的距离处，ES920LR LoRa的PRR（%）在图13中显示下降了7%。
图10. ES920LR LoRa的实时信号功率和CHIRP信号
图11. 846.37米发射器-接收器间的山丘障碍物上的RSSI
图12. 710.18米发射-接收之间直线视线建筑物上的RSSI
图13. ES920LR LoRa的数据包接收比率(%)
图14是在室外环境中进行的实际测量所得到的RSSI（-dBm）值。RSSI显示在1米到100米的距离上的起始值为-60 dBm，然后在距离为80米时信号强度降低至-80 dBm，在200米处信号降至-100 dBm至-110 dBm。在200米到800米的距离范围内，RSSI的数值不会改变，这是因为发射器的位置随着不同类型的障碍物或材料而改变，这些材料会引起其他信号的衰减。在图15中，有树源数据、自由空间、直线视线建筑物和阻碍建筑物。图15显示阻碍建筑物的信号衰减显著，在1公里的距离处达到-160 dBm以上，而如果与自由空间相比，只有-80 dBm，因此衰减达到了-80 dBm，与无障碍物的情况相比。
图14. RSSI（-dBm）ES920LR，带宽125kHz，扩频因子12，频率920.6MHz
图15. 在不同障碍物下，ES920LR的RSSI（-dBm）和带宽
图16是LoRa ES920LR上RSSI和SF的比较。在SF 7中，获得的信号强度比SF 12更好，相差-10 dBm。这表明SF决定了信号强度，受到距离（米）的影响。空间越远，SF越大（如SF 12），需要更长的空中时间（ToA）并且产生较低的比特率（bps）。这是由于存在数据包丢失（字节）、延迟（秒）和信号衰减（-dB）逐渐增加所致。
图16. RSSI和SF的比较
在图17中，测试条件是在恶劣的天气条件下进行的，即大雨天气。日本的石川县金泽市是日本天气极端的地区之一，除了强风、暴风雨、大雪和大雨外。针对这些因素，本研究试图探讨影响ES920LR LoRa信号状态的恶劣天气因素。在图17中，有一个天气条件图表，即当天气一般、细雨天气和大雨天气时，在正常条件下和降雨不显示显著的衰减信号（-dBm），但在大雨天气时，衰减信号（-dBm）达到-30 dBm，在1公里的Tx和Rx距离处。
图17. ES920LR LoRa在恶劣天气下的RSSI
图18是Thingspeak物联网应用服务器的实时心跳示例。Thingspeak是MathWorks提供的免费物联网应用服务器之一，尽管不是全部免费，但在图18中，是从传感器节点实时获取的心跳记录，这些传感器数据可以下载并以图像格式（* .jpg）、pdf或excel（* .xls）打印为数据报告，在先前的研究中使用MQTT作为物联网（IoT）的标准消息传输协议。
图18. Thingspeak物联网上的实时心跳
● 05结论 ●
根据实验，ES920LR LoRa上的RSSI会根据在无线传播过程中穿越的障碍物类型而出现衰减。视线信号在710米距离处的RSSI为-119 dBm，PRR（%）为93%。信号下降也不仅受长度的影响，仍然存在障碍物，例如在将ES920LR数据发送到距离为200米到800米的实验中，具有相同的相对大小，即-110 dBm到-120 dBm。在距离> 800米时，它们最近经历了显著的信号衰减。此外，扩频因子受距离影响。LoRa ES920LR发射器和接收器经历的距离越远，信号就越弱。此外，SF值确定了衰减和信号功率或接收信号强度。在大雨条件下，衰减信号在1公里的距离处达到-140 dBm，减小约25 dB。
学术引用：
Adi P D P, Kitagawa A, Prasetya D A, et al. A Performance of ES920LR LoRa for the Internet of Things: A Technology Review[C]//2021 3rd East Indonesia Conference on Computer and Information Technology (EIConCIT). IEEE, 2021: 1-7.
Adi, Puput Dani Prasetyo, et al. "A Performance of ES920LR LoRa for the Internet of Things: A Technology Review." 2021 3rd East Indonesia Conference on Computer and Information Technology (EIConCIT). IEEE, 2021.
Adi, P. D. P., Kitagawa, A., Prasetya, D. A., & Setiawan, A. B. (2021, April). A Performance of ES920LR LoRa for the Internet of Things: A Technology Review. In 2021 3rd East Indonesia Conference on Computer and Information Technology (EIConCIT) (pp. 1-7). IEEE.
文：选编自IEEE
编辑：祁景博
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