环境信息采集系统-传感节点设计文献综述

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一、文献综述

摘要：物联网在中国已经发展了多年，无论是智能工业、车联网、 智能家居、可穿戴设备等都面临全面爆发的趋势。无论在哪个行业，物联网的发展都离不开感知和互连，如何做好低功耗、长距离、低成本的环境信息采集和传输一直是相关研究人员关注的重要问题。本文从LoRa的概念出发，对比当下主流的无线传输网络及其特点，阐述了基于LoRa的环境信息采集传感器节点的国内外的研究现状、目前主要的研究成果以及未来的发展趋势，并提出了改进的建议和观点。

关键词：LoRa；传感器；信息采集；无线传输

1、国内外研究现状

物联网有三个关键要素：感知、智能、互联。传感器节点无疑物联网中起着至关重要的作用，物联网在感知和智能方面已有新的进展，而在互联上，却依然依赖适用于互联网和移动互联网的网络连接方式，如2G、3G、4G等，即使是面向物物相连的WiFi、蓝牙、ZigBee网络依旧面临传输距离、功耗之间两难的困境。2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型、基于1GHz 以下的超长距低功耗数据传输技术（简称LoRa）的芯片。其接收灵敏度达到了惊人的-148dbm，其功耗极低且不需要使用昂贵的温补晶振，引起了极大的关注[^[1]]。由于该产品使用一种特殊的扩频技术，这使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，采用LoRa技术之后，设计人员可以最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗[^[2]]。

从采用的传输网络来看，目前已有的传感器节点信息采集和无线传输主要有WiFi、蓝牙、4G、ZigBee、和LoRa。WiFi适合用于传输图片、视频等大流量数据的近距离传输，但是传输距离近是WiFi传输的一个重大缺陷，以及功耗大和复杂性高等方面的因此让WiFi只适用于短距离的信号传输，在户外、森林等环境中的环境信息采集中使用WiFi技术显然在成本和传输距离上不能满足用户的需求；ZigBee网络适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间，ZigBee技术的拓扑复杂，通信频率高，信号衰减快，以及同一频段WiFi、蓝牙信号的干扰，导致 ZigBee传输距离短抗干扰能力弱[^[3]]；表1是几种无线传输技术的比较。

表1 几种无线传输技术比较[^[4]]

从环境信息采集的种类来看，根据应用场景的不同，采集的环境信息也大不相同，例如智慧校园中采集环境中的温湿度和空气质量；应用于温室环境（例如温室大棚）的传感器节点采集环境中的温度、湿度、光照强度、二氧化碳含量等，以便为植物创造一个良好的生长环境；应用于森林等野外等场景中主要检测环境中的温度、可燃物含量等，考虑到应用于户外，相应的采用太阳能为传感器节点供电；应用于空气质量检测的系统主要检测空气中甲醛、二氧化碳浓度、氨气、PM2.5浓度等[^[5]]。

对比与国外的研究状况，同国内一样，随着技术的兴起和更迭，研究人员对不同的应用场景有了更多的选择，在早些年研究人员偏向基于ZigBee的环境信息采集传感器节点的设计，近年来，随着超低功耗超长距离的LoRa无线传输技术的兴起，研究人员也将注意力该方面的开发和改进。例如Ivaacute;n Froiz-Miacute;guez等人所设计的智能灌溉系统[^[6]]，基于LoRa和LoRaWAN的传感器节点设计，充分考虑了现实环境中会影响电磁波传播的因素（如介电常数、电导率）并提出了改进措施。相比国内关于环境信息采集系统的实现，国内大多数的研究主要针对的是整个系统功能的实现以及检测的多样性，国外的很多研究会针对更加可靠、充分考虑现实应用中会遇到的因素并从根源处找解决办法。相对来说，国外关于信息采集的研究要比国内更进一步。

2、研究主要成果

为了满足越来越多远距离物联网设备的接入需求，出现了一种低功耗广域物联网(low power wide area network，简称 LPWAN) 接入技术。该技术采用星型网络覆盖方式，具有传输距离远、运行功耗低、运维成本低等特点，适合只有少量数据需要传输的应用场景[^[7]]。LoRa是 LPWAN 通信技术中的 1 种，特有的扩频技术也使得其通信容量很大，即使不同扩频序列终端使用相同的频率也不会相互干扰，可并行接收处理多个节点的数据。它采用前向接错技术，在待传输数据序列中增加了冗余信息，在接收端计时纠正数据传输过程中注入错误码元，采用信道冲突检测机制，解决了节点数据并发丢包问题。

随着2013年Semtech公司发布的基于扩频通信的LoRa无限传输技术，最新国内外关于环境信息采集系统的研究大多基于LoRa的无限传输技术，系统通常包括传感器子节点、汇聚节点、服务器、可视化软件等几个部分，传感器子节点可通过 RS485 方式采集各个传感器的信息，利用子节点与汇聚节点的 LoRa 芯片，实现节点与汇聚节点之间的组网，各个传感器子节点将传感器检测到的温度、湿度、CO2 浓度、光照等信息通过 LoRa 网络传送至汇聚节点，汇聚节点作为网络协调器，可以进一步显示传感器节点传来的数据。LoRa 芯片采用的模块有SX1278、SX1212、SX1262、SX1268等，这几个模块各具有不同的特点，例如是一款超低接收电流无线收发器，可广泛应用于各种场合的短距离物联网无线通信领域。其具有体积小、功耗低等特点，成本也相对比较低；SX1278模块是一款市面广泛应用的模块，其特殊的LoRa调试方式可大大增加通信距离，其具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。郑贵林等人设计的基于 LoRa 的温室环境智能监控系统汇聚节点设备以Cortex － M3 为内核的 STM32F107VC 为主控制器，通过 SPI( 串行外设接口) 接入 SX1278 模块，并设置模块的相关参数，传感器子节点也用 SPI 接口接入SX1278 模块并设置成相同参数，传感器子节点和汇聚节点便可自动组成通信网络，汇聚节点通过对收到的数据进行解析、校验，根据信息中的地址信息判断是哪一个传感器子节点的消息，并将收到的数据进行保存并进行相应的处理。曾维等人设计的无线传感网的多功能传感器终端系统，LoRa模块通过USART串行通信方式与主控制器进行通信，根据实际需要选择使用传感器接口RS232或者RS485[^[8]]；张敏等人设计的LoRa远程监测系统中基于STM32设计的传感器节点通过SX2178射频模块将数据发送至网关，网关与传感器节点之间的通信在LoRaWAN规范基础上采用了ADC-MAC规范来平衡能源功耗和网络特性[^[9]]。

总体来说，国内外环境信息采集的系统相对来说已经比较完整，除了传感器节点，还包括了汇聚节点、服务器、可视化用户界面模块都已经有了完整的可应用的案例[^[10]]。

3、发展趋势

随着无线通信技术的发展，未来的环境信息采集传输处理系统可能会随着通信技术的发展而相应的发展，LoRa无线传输技术的出现使得传输距离与功耗将不需要再折中，而近几年窄带物联网（NB-IoT）技术的兴起，可以直接和服务器进行连接，简化了网络的搭建，不需要为了物联网设备群搭建一个网关，将进一步简化数据传输的网络。未来，环境信息采集的传感器节点将进一步趋于低功耗、低成本、高可靠性以及更小的体积。

4、存在的问题

就目前的环境信息采集系统中，传感器节点的设计往往不是整个无线传输系统所关注的重点，根据不同的需求选择不同的传感器类型，但是现在市面上很多传感器在精度和成本之间往往不能够均衡，这就造成了对于要求高精度的传感器节点来说，成本将会大大上升，尤其是大面积部署之后，传感器节点的成本将会成为整个系统设计需要考虑的一个十分重要的因素。同时，当前国内的很多研究只是提供了一种可行的方案，对于现实场景中会遇到的各种问题并没有针对性的解决，在实际的生产引用中的可靠性还需要进一步考量。

5、小结

环境信息采集系统现在已经有很多种完整的解决方案，随着无线传输技术的不断进步，信息采集系统也不断优化和完善，为设计传感器节点部分提供了很多切实可行的方案，未来的无线传输传感器节点的设计也将会趋于更低功耗、更高精度的方向。

二、查阅中外文献资料目录

1. [] 王阳,温向明,路兆铭,程刚,潘奇.新兴物联网技术——LoRa[J].信息通信技术,2017,11(01):55-59 72. uarr;

2. [] 江武志,罗玉文.智慧校园之基于LoRa技术的环境检测分析系统[J].物联网技术,2018,8(04):64-67. uarr;

3. [] 郑贵林,汪体成.基于LoRa的温室环境智能监控系统的设计[J].江苏农业科学,2019,47(10):216-219. uarr;

4. [] 龚天平.LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输[J].电子世界,2016(10):115 117. uarr;

5. [] 刘超然,朱珠,韦福鹤,刘守印.基于LoRa的室内空气质量检测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(06):59-62. uarr;

6. [] Ivaacute;n Froiz-Miacute;guez;Peio Lopez-Iturri;Paula Fraga-Lamas;Mikel Celaya-Echarri;Oacute;scar Blanco-Novoa;Leyre Azpilicueta;Francisco Falcone;Tiago M. Fernaacute;ndez-Carameacute;s. Design, Implementation, and Empirical Validation of an IoT Smart Irrigation System for Fog Computing Applications Based on LoRa and LoRaWAN Sensor Nodes[J]. Sensors, 2020, Vol.20(6865):6865. uarr;

7. [] 赵全,徐光,郝龙,韩卫济,马德常.基于LoRa的无线多参数环境监测系统设计[J].国外电子测量技术,2019,38(06):120-124. uarr;

8. [] 曾维,余欣洋,江礼东,鲁肸肸,黄志远,秦富鸿.一种无线传感网的多功能传感器终端系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(06):30-33. uarr;

9. [] 张敏,周治平.基于LoRa的远程监测系统设计[J].传感器与微系统,2019,38(07):95-98. uarr;

10. [] Ernesto Gonzaacute;lez 1 , Juan Casanova-Chafer 1 , Alfonso Romero 1 , Xavier Vilanova 1 , Jan Mitrovics 2 , Eduard Llobet 1 . LoRa Sensor Network Development for Air Quality Monitoring or Detecting Gas Leakage Events[J]. Sensors (Basel, Switzerland), 2020, Vol.20(21):E6225. uarr;

资料编号：[269700]

一、文献综述

摘要：物联网在中国已经发展了多年，无论是智能工业、车联网、 智能家居、可穿戴设备等都面临全面爆发的趋势。无论在哪个行业，物联网的发展都离不开感知和互连，如何做好低功耗、长距离、低成本的环境信息采集和传输一直是相关研究人员关注的重要问题。本文从LoRa的概念出发，对比当下主流的无线传输网络及其特点，阐述了基于LoRa的环境信息采集传感器节点的国内外的研究现状、目前主要的研究成果以及未来的发展趋势，并提出了改进的建议和观点。

关键词：LoRa；传感器；信息采集；无线传输

1、国内外研究现状

物联网有三个关键要素：感知、智能、互联。传感器节点无疑物联网中起着至关重要的作用，物联网在感知和智能方面已有新的进展，而在互联上，却依然依赖适用于互联网和移动互联网的网络连接方式，如2G、3G、4G等，即使是面向物物相连的WiFi、蓝牙、ZigBee网络依旧面临传输距离、功耗之间两难的困境。2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型、基于1GHz 以下的超长距低功耗数据传输技术（简称LoRa）的芯片。其接收灵敏度达到了惊人的-148dbm，其功耗极低且不需要使用昂贵的温补晶振，引起了极大的关注[^[1]]。由于该产品使用一种特殊的扩频技术，这使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，采用LoRa技术之后，设计人员可以最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗[^[2]]。

从采用的传输网络来看，目前已有的传感器节点信息采集和无线传输主要有WiFi、蓝牙、4G、ZigBee、和LoRa。WiFi适合用于传输图片、视频等大流量数据的近距离传输，但是传输距离近是WiFi传输的一个重大缺陷，以及功耗大和复杂性高等方面的因此让WiFi只适用于短距离的信号传输，在户外、森林等环境中的环境信息采集中使用WiFi技术显然在成本和传输距离上不能满足用户的需求；ZigBee网络适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间，ZigBee技术的拓扑复杂，通信频率高，信号衰减快，以及同一频段WiFi、蓝牙信号的干扰，导致 ZigBee传输距离短抗干扰能力弱[^[3]]；表1是几种无线传输技术的比较。

表1 几种无线传输技术比较[^[4]]

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