《传感网应用开发》LORA通信应用开发课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,知识链接,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,PPT,模板下载：, PPT,素材下载：, PPT,图表下载：, PPT,教程：, Excel,教程：, PPT,课件下载：, PPT,素材下载：, PPT,图表下载：, PPT,教程：, Excel,教程：, PPT,课件下载：, Range Radio,）,INTERFACE,10-20,年,电池使用寿命,1/5,的蜂窝网络成本,LoRa,基站,01,LoRa,是什么,ISM Band,，此频段,( 2.42.4835GHz),主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频段是属于,Free License,，并没有所谓使用授权的限制。,LoRa,主要在,ISM,频段运行，主要包括,433,、,868,、,915 MHz,等,传输距离：城镇可达,2-5 Km,， 郊区可达,15 Km,基于扩频技术,一个,LoRa,网关可以连接上千上万个,LoRa,节点,LPWAN,（,low-power Wide-Area Network,，低功耗广域网技术）：,长距离通信,+,低功耗,1远距离无线电（Long Range Radio）INTER,1,远距离无线电（,Long Range Radio,）,INTERFACE,2,、低功耗：,10-20,年,电池使用寿命,LoRa,基站,01,LoRa,是什么,ISM Band-,（,I,ndustrial,S,cientific,M,edical,）,，此频段,( 2.42.4835GHz),主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频段是属于,Free License,，并没有所谓使用授权的限制。,LoRa,主要在,ISM,频段运行，主要包括,433,、,868,、,915 MHz,等,3,、低成本：,1/5,的蜂窝网络成本,LoRa,是,LPWAN,（,low-power Wide-Area Network,，低功耗广域网技术）通信技术的一种,。,1,、长距离传输,：,城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km,1远距离无线电（Long Range Radio）INTER,LoRa,无线技术,LoRaWAN,是,LoRa,联盟（,Semtech,公司牵头）制定的围绕,LoRa,技术组网的网络体系结构。,LoRaWAN,是,LoRa Wide Area Network,（,LoRa,广域网）的简称，是基于,LoRa,技术的一种通信协议，,为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构,。,它主要包括三个层次的通信实体：,LoRa,终端、,LoRa,网关和,LoRa,服务器。,01,LoRaWAN,是什么,LoRa无线技术LoRaWAN是LoRa联盟（Semtech,01,LoRa,无线技术,LoRaWAN,协议栈,01LoRa无线技术LoRaWAN协议栈,01,LoRa,无线技术,LoRaWAN,网络架构,LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。,在终端部分官方列了6个典型应用，终端节点可以同时发给多个基站。,基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和T,CP,/IP上。,01LoRa无线技术LoRaWAN网络架构LoRaWAN网络,01,LoRa,无线技术,LoRa,拓扑组网方案,应用层,传输层,组网层,深度覆盖层,LoRa,网关,MQTT,LoRa,LoRa,模块,LoRa,模块,LoRa,模块,LoRa,模块,LoRa,模块,智能抄表,农业,气象环保监控,油田监测,智能交通,智能停车,一个,LoRa,网关可以连接上千上万个,LoRa,节点,01LoRa无线技术LoRa拓扑组网方案应用层传输层组网层深,02,LoRa,模块,LoRa,模块使用基于,SEMTECH,射频集成芯片,SX127X,的射频模块，是一款高性能物联网无线收发器,JP1,是,boot,脚的设置脚，右拨的时候是正常工作；左拨的时候是下载固件时使用。,JP2,是,STM32,单片机的,usart1,的接通选择开关，左拨的时候接通到,NEWLab,主机上；,右拨的时候断开与,NEWLab,主机的连接，并将,RX,和,TX,引脚接通到,J6,排针母座上。,编码开关是控制,STM32,的,SPI,引脚和,SX1278,模组的,SPI,接通，全部,上拨,的时候，,STM32,的,SPI,和,SX1278,模组接通,；全部下拨的时候，,STM32,的,SPI,和,SX1278,模组断开连接。,02LoRaLoRa模块使用基于SEMTECH射频集成芯片S,02,LoRa,芯片与,MCU,连接图,SX1276/77/78,是,137MHz,至,1020MHz,低功耗远距离,收发器，采用,LoRa,远程调制解调器，用于超长距离扩频通信,SPI,DIOx,02LoRa芯片与MCU连接图SX1276/77/78是13,03,SPI,LoRa,芯片与,MCU,通过,SPI(,串行外设接口，支持全双工高速,),进行通信,SCLK,（,Serial Clock,）,：串行时钟，,由主机发出,，控制数据交换的时机与速率,MOSI,（,Master Output,Slave Input,）：主机输出从机输入信号,，,SPI,主机向,SPI,从机发送数据,MISO,（,Master Input,Slave Output,）：主机输入从机输出信号，,SPI,主机接收,SPI,从机传输过来的数据,NSS,（,Slave Selected,）：选择信号，,由主机发出,，,SPI,主机选择与哪一个,SPI,从机通信，,一般是低电位有效,SPI,广泛用于,EEPROM,、,Flash,、,RTC,（实时时钟）、,ADC,（数模转换器）、,DSP,（数字信号处理器）以及数字信号解码器上。,SPI,通信的速度很容易达到好几兆,bps,，所以可以用,SPI,总线传输一些未压缩的音频以及压缩的视频,03SPILoRa芯片与MCU通过SPI(串行外设接口，支持,03,SPI,SPI,传输时序图,补充,CPOL,：时钟极性，这里是低电平,CPHA,：时钟相位，这里是第一个跳变沿，选择,SPI_PHASE_1EDGE,CPOL,：时钟极性选择，为,0,时,SPI,总线空闲为低电平，为,1,时,SPI,总线空闲为高电平,CPHA,：时钟相位选择，为,0,时在,SCK,第一个跳变沿采样，为,1,时在,SCK,第二个跳变沿采样,SPI,总线传输的模式：,SPI,总线传输一共有,4,种模式，这,4,种模式分别由时钟极性,(CPOL,，,Clock Polarity),和时钟相位,(CPHA,，,Clock Phase),来定义，其中,CPOL,参数规定了,SCK,时钟信号空闲状态的电平，,CPHA,规定了数据是在,SCK,时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样,03SPISPI传输时序图补充CPOL：时钟极性选择，为0时,03,SPI,SPI,传输时序图,03SPISPI传输时序图,03,SPI,SPI,配置,Step 02,初始化引脚（,spi_board.c,源码解释）,设置,SPI,通信方式,Step 01,03SPISPI配置Step 02初始化引脚（spi_boa,04,LoRa,调制,解调,Step 02,配置使用,LoRa,调制解调关键参数,(NS_Radio.h),编写关键函数,Step 01,04LoRa调制Step 02配置使用LoRa调制解调关键参,针对特定应用，开发人员可通过,调制扩频因子,、,调制带宽,、,纠错编码率,这三个关键设计参数，对,LoRa,调制解调技术进行优化。,1,、扩频因子（,SF,）,2,、编码率（,CR,）,3,、信号带宽（,BW,）,4,、,LoRa,信号带宽,BW,、符号速率,Rs,和数据速率,DR,的关系,5,、,LoRa,信号带宽、扩频因子和编码率的设定,04,LoRa,调制,解调,针对特定应用，开发人员可通过调制扩频因子、调制带宽、纠错编码,码元,(chip),示例,无线传输速率就是一秒钟传了多少个码元,码元(chip)示例无线传输速率就是一秒钟传了多少个码元,扩频因子（,SF,）,LoRa,采用,多个信息码片,来代表有效负载信息的每个位，扩频信息的发送速度称为,符号速率（,Rs,），,而码片速率与标称的,Rs,比值即为扩频因子（,SF,，,SpreadingFactor,），表示了,每个信息位发送的符号数量,LoRa,扩频因子取值范围：,04,LoRa,调制,解调,扩频因子（SF）LoRa采用多个信息码片来代表有效负载信息的,符号和码元的关系,符号（,signal,）由,N(N=,扩展因子,),个待调制的原始位,(raw bit),组成，即上图中的,binary Data,经调制后，生成,2N,个码元，再经空口发送出去。,符号和码元的关系符号（signal）由N(N=扩展因子)个待,2,、编码率（,CR,）,编码率，是数据流中有用部分的比例,。,如果编码率是,k/n,，则对每,k,位有用信息，编码器总共产生,n,位的数据，其中,n-k,是多余的。,LoRa,采用,循环纠错编码进行前向错误检测与纠错,。使用该方式会产生传输开销。每次传输产生的数据开销如下：,在存在干扰的情况下，,前向纠错能有效提高链路的可靠性。,由此，编码率（抗干扰性能）可以随着信道条件的变化而变化，可以选择在报头加入编码率以便接收端能够解析,04,LoRa,调制,解调,2、编码率（CR）编码率，是数据流中有用部分的比例。如果编码,3,、信号带宽（,BW,）,增加,BW,，可以提高有效数据速率以缩短传输时间,04,LoRa,调制,解调,3、信号带宽（BW）增加BW，可以提高有效数据速率以缩短传输,带宽和传输速率的关系,信噪比：,就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，即：,S/N,。,用分贝（,dB,）作为度量单位，即：信噪比（,dB,）,= 10 * log10(S/N) (dB),例如：当,S/N=10,时，信噪比为,10dB,；当,S/N=1000,时，信噪比为,30dB,。,香农公式,C = W*log2,（,1+S/N,）,注：,C,为信道的极限信息传输速率（以,bps,为单位）,W,为信道的带宽（以,Hz,为单位）,S,为信道内所传信号的平均功率,N,为信道内的高斯噪声功率,S/N,为信噪比,结论：在信噪比不变的情况下，信道极限信息传输速率和带宽成正比。人们在使用过程中，降传输速率和带宽基本不分,带宽和传输速率的关系信噪比：,4,、,LoRa,信号带宽,BW,、符号速率,Rs,和数据速率,DR,的关系,Rs=BW/(2SF),DR= SF*( BW/2SF)*CR,5,、,LoRa,信号带宽、扩频因子和编码率的设定,LoRaWAN,主要使用了,125kHz,信号带宽设置，但其他专用协议可以利用其他的信号带宽（,BW,）设置。改变,BW,、,SF,和,CR,也就改变了链路预算和传输时间，需要在电池寿命和距离上做个权衡。,04,LoRa,调制,解调,4、LoRa信号带宽BW、符号速率Rs和数据速率DR的关系R,请求,:,LoRa,模块通信协议,CMD: 0x01=,读传感数据,响应,:,03,LoRa通讯协议,请求:LoRa模块通信协议CMD: 0x01=读传感,LoRa,模块通信协议,CMD: 0x01=,读传感数据,03,LoRa通讯协议,统一的网络,ID,RoLa,设备地址,1,RoLa,设备地址,5,RoLa,设备地址,3,RoLa,设备地址,4,RoLa,设备地址,2,LoRa模块通信协议CMD: 0x01=读传感数据0,2,LoRa,温湿度传感器节点开发,2LoRa温湿度传感器节点开发,基于工程源码模板,LoRaModemProject,，开发,LoRa,温湿度传感器节点应用程序，要求：,1,、采集温湿度数据，并在,OLED,屏上显示。,2,、当收到网关读取传感数据的指令后，将传感数据响应给网关。,任务要求,基于工程源码模板LoRaModemProject，开发LoR,项目实施,01,硬件连接,02,代码操作及解析,03,程序烧写,项目实施01硬件连接02代码操作及解析03程序烧写,LoRa,模块,蓝牙,4.0BLE,主从机建立连接剖析,01,硬件连接,LoRa模块蓝牙4.0BLE主从机建立连接剖析01硬件连接,温湿度传感器接口说明,蓝牙,4.0BLE,主从机建立连接剖析,01,硬件连接,温湿度传感器接口说明蓝牙4.0BLE主从机建立连接剖析01硬,02,代码解析及操作,Step 02,Step 04,整理代码工程,LoRa_Send(),函数说明,MyRadioRxDoneProcess(),函数说明,OLED_InitView(),函数说明,Step 6,main(),函数说明,PlatformInit(),函数说明,Step 01,Step 03,Step 05,02代码解析及操作Step 02Step 04整理代码工程L,04,程序烧写,下载成功后，将,LoRa,模块的,JP1,往右拨，同时按一下复位键,KEY1,，温湿度程序便开始运作了。,04程序烧写下载成功后，将LoRa模块的JP1往右拨，同时按,3,LoRa,光照传感器节点开发,3LoRa光照传感器节点开发,基于温湿度传感器节点的工程源码,LoRaModemSensorTempRhProject,，开发,LoRa,光照传感器节点应用程序，要求：,1,、采集光照度数据，并在,OLED,屏上显示。,2,、当收到网关读取传感数据的指令后，将传感数据响应给网关。,任务要求,基于温湿度传感器节点的工程源码LoRaModemSensor,项目实施,01,硬件连接,02,工程模板操作,03,应用程序编程,04,程序烧写,项目实施01硬件连接02工程模板操作03应用程序编程04程序,01,硬件连接,光照传感器,01硬件连接光照传感器,前面已经完成了温湿度传感器节点的应用开发，我们只需要在此工程的基础上修改出光照传感器节点应用程序即可。复制工程源码文件夹 “,LoRaModemSensorTempRhProject”,为副本，并重命名为“,LoRaModemSensorLightProject”,。进入文件夹“,LoRaModemSensorLightProject”,，并打开该工程源码,02,工程模板操作,前面已经完成了温湿度传感器节点的应用开发，我们只需要在此工程,03,应用程序编程,Step 02,代码添加,代码编译,Step 01,03应用程序编程Step 02代码添加代码编译Step 01,程序烧写过程同温湿度传感器节点。,04,程序烧写,程序烧写过程同温湿度传感器节点。04程序烧写,4,LoRa,网关节点汇聚传感器节点数据,4LoRa网关节点汇聚传感器节点数据,基于温湿度传感器节点的工程源码,LoRaModemSensorTempRhProject,，开发,LoRa,网关节点应用程序，要求：,1,、网关轮流读取温湿度传感器节点、光照传感器节点的传感器数据，将收到的传感器数据在,OLED,屏上显示,2,、并透传到串口上。,任务要求,基于温湿度传感器节点的工程源码LoRaModemSensor,任务实施,01,硬件连接,02,工程模板操作,03,应用程序编程,04,运行结果,任务实施01硬件连接02工程模板操作03应用程序编程04运行,知识链接,准备,NEWLab,主机和配套,12V,电源、串口线，,NEWLab,主机接通,12V,电源，并用串口线连接好电脑和,NEWLab,主机，通讯旋钮开关旋至通讯模式。,NEWLab,主机上各放置一块,LoRa,模块作为网关节点。,01,硬件连接,知识链接准备NEWLab主机和配套12V电源、串口线，NEW,我们在温湿度传感器节点应用程序的基础上修改出网关节点应用程序，复制工程源码文件夹 “,LoRaModemSensorTempRhProject”,为副本，并重命名为“,LoRaModemCollectProject”,。进入文件夹“,LoRaModemCollectProject”,，并打开该工程源码,02,工程模板操作,我们在温湿度传感器节点应用程序的基础上修改出网关节点应用程序,03,应用程序编程,Step 02,代码添加,代码编译,Step 01,03应用程序编程Step 02代码添加代码编译Step 01,每个,rola,网络需要设置不同的网络,id,每个rola网络需要设置不同的网络id,xtranspency,不透传数据到串口，但是在串口打印信息,xtranspency 不透传数据到串口，但是在串口打印信息,程序烧写过程同温湿度传感器节点。,04,运行结果,程序烧写过程同温湿度传感器节点。04运行结果,上位机显示传感器数据。,04,运行结果,上位机显示传感器数据。04运行结果,transpency,透传数据到串口，上传至网关,transpency 透传数据到串口，上传至网关,将作为网关的,LoRa,模块放置在,NEWLab,主机上，用导线连接,LoRa,模块和物联网网关的,RS485,信号接口，网关连接如下图所示,硬件连接,将作为网关的LoRa模块放置在NEWLab主机上，用导线连接,登录云平台后，先点击“开发者中心”按钮，然后点击“新增项目”按钮即可新建一个项目,新建项目,登录云平台后，先点击“开发者中心”按钮，然后点击“新增项目”,填入设备名称：“园区环境监测”、勾选通讯协议：“,TCP”,、设备标识：“,LoRaxxxxx”,，最后点击“确定添加设备”,添加设备,填入设备名称：“园区环境监测”、勾选通讯协议：“TCP”、设,记录下设备,ID,、设备标识、传输密钥，后续需要用到这三个参数,设备管理界面,记录下设备ID、设备标识、传输密钥，后续需要用到这三个参数设,确认,ApiKey,是否生成或有效，若未生成,ApiKey,，则按下图生成,ApiKey,ApiKey,生成,确认ApiKey是否生成或有效，若未生成ApiKey，则按下,登陆物联网网关系统管理界面,192.168.14.200:8400,配置物联网网关接入云平台,登陆物联网网关系统管理界面 192.168.14.200:8,将前面记录的设备,ID,、设备标识、处传输密钥填入到下图的标号至；物联网网关配置参数配置完毕，点击设置按钮，物联网网关系统自动重启，,20,秒左右，系统初始化完毕,配置物联网网关接入云平台,将前面记录的设备ID、设备标识、处传输密钥填入到下图的标号,按下图, ,步骤，可让网页实时显示数据，查看数据上传情况,配置实时数据开启,按下图 步骤，可让网页实时显示数据，查看数据上传情况配置,实现显示如下图所示，网页每间隔,5,秒刷新一次,实时数据,实现显示如下图所示，网页每间隔5秒刷新一次实时数据,点击下图中所指位置可跳转到历史数据页面。,历史数据,点击下图中所指位置可跳转到历史数据页面。历史数据,知识点：,LoRa,、,LoRaWAN,、,SPI,总线等,单元总结,项目：,LoRa,通信应用开发,任务：通过“园区环境监测”项目来分任务实现,LoRa,传感节点的数据通过,LoRa,网关上传到,PC,端,知识点：LoRa、LoRaWAN、SPI总线等单元总结项目：,传感网应用开发LORA通信应用开发课件,扩频因子（,SF,）,扩频时你的数据每一位都和扩频因子相乘,1 bit,需要传送,扩频因子为,1,传输数据为,1,扩频因子为,6,传输数据为,111111,扩频后传输可以降低误码率也就是信噪比，但是在同样数据量条件下却减少了可以传输的实际数据，所以，,扩频因子越大，传输的数据数率（比特率）就越小。,当扩频因子,SF,为,6,时，,LoRa,的数据传输速率最高。,04,LoRa,调制,解调,扩频因子（SF）扩频时你的数据每一位都和扩频因子相乘1 bi,