張亞東

摘要：介紹了 LoRa技術(shù)的基本原理以及性能優(yōu)勢，分析了LoRa無線通信技術(shù)在電氣火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，并設(shè)計了其在電氣火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);電氣火災(zāi);監(jiān)控系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和我國城市化進(jìn)程的不斷加快，電能已成為最主要的能源。但不規(guī)范用電和電路老化引發(fā)的電氣火災(zāi)事故時有發(fā)生，特別是大型商場、娛樂場所，一旦發(fā)生火災(zāi)很容易造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)我國消防部門的火災(zāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，電氣火災(zāi)發(fā)生次數(shù)占到火災(zāi)總數(shù)的 36. 1%，在所有火災(zāi)起因中居首位。

目前，在建筑供電線路上加裝火災(zāi)預(yù)警和監(jiān)控系統(tǒng)已成為有效的措施，但是在電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)節(jié)尚存在一定問題。市場上研制電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的廠家很多，但大多是采用有線傳輸方式，這種傳輸方式對于一些不便施工的老舊建筑、監(jiān)控室較遠(yuǎn)的建筑、出于保護(hù)目的不允許施工的古文物建筑等不太適用。隨著無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)完全可以制作一款性能可靠、價格合理的無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。在此背景下，開發(fā)一款基于LoRa無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

基于LoRa無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，由電氣火災(zāi)探測器、現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備以及監(jiān)控主機(jī)組成。電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器用于探測被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度等電氣火災(zāi)危險參數(shù)的變化，一般將其安裝在樓宇建筑的配電箱或配電柜中。電氣火災(zāi)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備可以接收來自電氣火災(zāi)探測器的信息，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給監(jiān)控主機(jī)，當(dāng)監(jiān)測到的實(shí)際值高于設(shè)定的報警范圍時，監(jiān)控主機(jī)將發(fā)出聲光報警信號，存儲報警記錄。

2 LoRa技術(shù)優(yōu)勢

LoRa是由美國 Semtech 公司研發(fā)和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，屬于低功耗廣域網(wǎng) LPWAN（Low-power Wide-area Network）的一種。這一技術(shù)解決了以往傳輸距離與功耗之間的矛盾，為用戶提供一種簡單的，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的傳輸系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433，868，915 MHz等。LoRa技術(shù)擁有以下幾大優(yōu)勢：

（1）采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，對干擾信號的抑制能力達(dá) 20 dB，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，提供高靈敏度、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)連接。

（2）采用前向糾錯技術(shù)，給待傳輸數(shù)據(jù)序列增加冗余信息，當(dāng)傳輸中數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，接收機(jī)可以再建數(shù)據(jù)，所以降低了數(shù)字信號的誤碼率，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信距離比其他無線通信技術(shù)要遠(yuǎn)的多，空曠環(huán)境下可以達(dá)到 8 km 的傳播距離，即使在城市中也可以達(dá)到 2 km 的傳播距離。經(jīng)測驗(yàn)，信號可以穿透 6 層樓層仍然可以穩(wěn)定接收。

（4）最大發(fā)射功率 100 m W，LoRa 芯片在休眠時電流僅 1. 5μA，接收端靈敏度為 - 129 dBm。以上這些優(yōu)勢非常契合在單棟或者數(shù)棟相鄰建筑中建立一個區(qū)域性穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)絡(luò)的需求。當(dāng)然，由于該技術(shù)是以追求遠(yuǎn)距離和低功耗為目標(biāo)的產(chǎn)物，在傳輸速率上做了不小的犧牲，在理想條件下，理論上只有 50 kb /s 的傳輸速率。因此，該技術(shù)僅適用于構(gòu)建數(shù)據(jù)量較小的網(wǎng)絡(luò)，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)僅需傳輸監(jiān)測到的數(shù)值數(shù)據(jù)，可以說是非常合適的。

3 ?LoRa性能分析

（1）Chirp 時域信號。采用擴(kuò)頻通信是 LoRa 通信性能強(qiáng)大的重要原因，LoRa 的調(diào)制方案中，芯片發(fā)射的信號時域上是恒包絡(luò)信號也可稱為 Chirp 信號。

（2）信道容量。當(dāng)帶寬增加到一定程度時，允許信噪比進(jìn)一步降低，即使信號功率接近噪聲甚至淹沒在噪聲之下，接收機(jī)也能正確地還原信號。當(dāng)信道容量確定時，擴(kuò)頻通信利用較寬的信道帶寬來換取較低的信道輸出信噪比條件，這是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

（3）信號的時間帶寬積 D 越大，信號的匹配濾波器輸出波形的主瓣幅度越大，寬度越窄。與其他擴(kuò)頻技術(shù)相比，Chirp 擴(kuò)頻有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：Chirp 擴(kuò)頻的處理增益由信號的時間帶寬積 D = T×B 決定（T為信號周期，B為信道帶寬）。一般而言，Chirp 信號的時間帶寬積 D 遠(yuǎn)大于 1，所以利用 Chirp擴(kuò)頻通信傳輸數(shù)據(jù)，接收端信號經(jīng)匹配濾波后輸出波形主瓣槡D 幅度大，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。Chirp 擴(kuò)頻利用大的時間帶寬積與較寬的信道帶寬，使得信號在極低的發(fā)射功率下，依然可以抗多徑衰落、多普勒頻移、背景噪聲等干擾。

4 硬件設(shè)計

基于 LoRa無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，采用 STM32F103 系列芯片作為主控芯片，該系列微處理器是首款基于 ARMS-7 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn) RISC精簡指令集處理器，能提供很高的代碼效率，在通常 8位和 16 位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了 ARM 內(nèi)核的高性能。該系列微處理器具體性能指標(biāo)為：工作頻率72 MHz，內(nèi)置高達(dá) 128k 字節(jié)的 Flash 存儲器和 20k 字節(jié)的 SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器），具有豐富的通用I / O 瑞口。通信模塊采用 ZM470 系列芯片，該芯片是基于SX1278 芯片進(jìn)行優(yōu)化封裝，不但具有原芯片的全部功能而且通過良好的優(yōu)化，使該芯片更方便開發(fā)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證，以 LoRa無線擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)射功率、接收靈敏度、通信距離以及通信可靠性等技術(shù)指標(biāo)都非常優(yōu)秀，而且完美契合電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，功耗和距離測試驗(yàn)證了 LoRa無線通信技術(shù)的低功耗、超長距的巨大優(yōu)勢。本文的研究，可以直接推廣到未來無線低功耗小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測領(lǐng)域，具有非常實(shí)際的應(yīng)用價值。依托于 LoRa 無線通信的技術(shù)優(yōu)勢，后期可考慮在組網(wǎng)算法以及行業(yè)應(yīng)用方面展開研究。

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