一种基于L o R a
史振，崔恒荣，赵丹阳，刘涛，王煜伟，杨威，焦劲华，荆玉香
(东华大学信息科学与技术学院，上海201620
)*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(2232019D 354
)㊂摘要：设计了一种基于L o R a 技术的无线数传模块，该模块以S X 1278为射频芯片,S TM 32H 743为主控芯片㊂针对L o -R a 的半双工通信，设计了一种同步时分数据收发机制，实现远距离实时双向通信㊂同时提出了模块自适应发射功率的方法，实现了模块功耗的降低㊂实测结果显示，模块发射功率为17d B m ，功耗为287.1mW ，模块可靠通信距离达4.6 k m ，模块重量小于3g ㊂关键词:S X 1278;S TM 32H 743；远距离实时通信;L o R a
中图分类号:T N 914.42 文献标识码:A
D e s i g n o f U A V D a t a T r a n s m i s s i o n M o d u l e B a s e d o n L o R a T e c h n o l o g y
S h i Z h e n ,C u i H e n g r o n g ,Z h a o D a n y a n g ,L i u T a o ,W a n g Y u w e i ,Y a n g W e i ,J i a o J i n h u a ,J i n g Y u x i a n g
(S c h o o l o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,D o n g h u a U n i v e r s i t y ,S h a n g
锂电池注液机h a i 201620,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h e p a p e r ,a w i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o n m o d u l e b a s e d o n L o R a t e c h n o l o g y i s d e s i g
n e d .T h e m o d u l e u s e s S X 1278a s t h e r a d i o f r e q u e n c y c h i p a n d S TM 32H 743a s t h e m a i n c o n t r o l c h i p .A i m i n g a t L o R a 's h a l f -d u p l e x c o mm u n i c a t i o n ,a s y
n c h r o n o u s t i m e -d i v i s i o n d a t a r e c e i v i n g a n d s e n d i n g m e c h a n i s m i s d e s i g n e d t o r e a l i z e l o n g -d i s t a n c e r e a l -t i m e t w o -w a y c
o mm u n i c a t i o n .A t t h e s a m e t i m e ,a m e t h o d f o r m o d u l e a d a p t i v e t r a n s m i s s i o n p o w e r i s p r o p o s e d ,w h i c h r e d u c e s t h e p o w e r c o n s u m p
t i o n o f t h e m o d u l e .T h e m e a s u r e d t r a n s m i t p o w e r o f t h e m o d u l e i s 17d B m ,t h e p o w e r c o n s u m p t i o n i s 287.1mW ,t h e r e l i a b l e c o mm u n i c a t i o n d i s t a n c e o f t h e m o d u l e i s u p t o 4.6k m ,a n d t h e w e i g
h t i s l e s s t h a n 3g .K e y
w o r d s :S X 1278;S TM 32H 743;l o n g -d i s t a n c e c o mm u n i c a t i o n ;L o R a 0 引 言
微型无人机体积小㊁飞行速度慢㊁有效载荷小，无法像
大型飞机一样使用大容量电池及大型天线，且需将微型无人机的状态数据实时传回地面㊂因此，保证无线数传模块的通信距离㊁降低模块功耗及重量引起了国内外研究学者的广泛关注㊂目前市场上销售的微小型无人机续航能力在30分钟左右,
部分甚至只有十几分钟的续航能力[1]
㊂这对于微型无人机的实际使用是远远不够的㊂针对无人机无线数传模块，国内外学者设计了不同的数传模块㊂参考文献[2]基于O F D M 全数字调制解调技术及M P E G 2
/M P E G 4数字压缩编码技术设计了一款功率范围为
500mW~1W ㊁通信距离为3k m ㊁整机重量为500g 的模
块㊂该数传模块遇到障碍物时通信质量差㊁丢包率高，难以满足无人机飞行时的通信质量保障㊂参考文献[3]
以S X 1276为射频芯片，采用低功耗微处理器S TM 8L 151为主芯片并移植了C o n t i k i 嵌入式操作系统设计了一款发
射功率为20d B m ㊁住宅区通信距离为560m 的无线数传模
块㊂该模块通信距离短，难以满足无人机的远距离飞行需
求㊂参考文献[4]利用G M 8125芯片㊁无线通信G S M M O -D E M M C 35和HM R 3300传感器设计了一款小型无人机数
据采集与通信系统，模块的数据传输速率为4800b p
s ㊂该模块数据传输速率低，难以满足无人机采用的MA V L i n k
协议对数据传输速率的需求㊂
现有的无人机数传模块存在通信距离近㊁通信质量差㊁数据传输速率低㊁模块体积大㊁模块重㊁功耗大等方面问题㊂本文对以上现状和问题进行分析，设计了一款基于L o R a 技术的无线通信模块㊂L o R a 是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，相比传统的F S K 调制，在传输相同的数据时通过扩频因子增加了一定倍数的数据量，从而达到降低误码率的要求，实现了高稳定性㊂此外它还兼顾
了F S K 调制所拥有的优秀性能，保持着低功耗特性，同时通信距离还有明显的增加，实现了低功耗和远距离的统
一[5]
㊂但L o R a 是半双工通信,
无法同时收发数据，难以满足无人机与地面端的实时双向通信要求㊂针对此问题，本文提出了一种同步时分数据收发机制解决该问题㊂
1 模块设计
1.1 无线通信链路计算
MA V L i n k (M i c r o A i r L o o v e r L i n k )
是一种专门为无人机通信系统设计的通信协议㊂MA V L i n k 协议可以工作在2.4G H z ㊁433MH z 波段,
兼容传统无线发射设备，能够全双工工作，可完全满足一般微小型无人机的通信需求㊂无线信号在空气中传输的损耗为:
L o s =32.44+20l g D k m +20l g
F (MH z )即传输频率越高，传输损耗越大，或者说在同样传输
损耗情况下，传输距离与频率成反比，即频率越高，传输距离越短㊂目前的2.4G H z 设备信号传输距离短,
一般为10~100m ，可靠通信距离为10m ，传输过程衰减大，信号穿透㊁绕射能力弱，信号易被物体遮挡㊂433MH z 信号
强，传输距离长㊁穿透㊁绕射能力强，传输过程衰减较小[
6]
㊂根据无线传输距离公式如下:红外多点触摸屏
D=10
P -S e n -l o s s -32.44-20ˑl o g 10
F
20
其中D 为传输距离,P 为发射功率,S e n 为接收灵敏
度,l o s s 为介质损耗,F 为中心频率㊂本文设计的模块L o -
R a 的F 为433MH z ,S e n 为-125d B m ,l o s s 为35d B ,
发射功率为17d B m ㊂
D=10
17d B m-(-125d B m )-35d B -32.44-20ˑl o g 10
4
3320
=12.3k m
理论上本文设计的L o R a 模块最远传输距离为
12.3k m ,
满足无人机飞行距离的需求㊂微型无人机采用MA V L i n k 协议对数传模块空口传输速率的最低要求为
10k b p
s ㊂L o R a 的有效传输速率公式为:R b =S
F ˑC R
2S F B W
b
i t s /s 其中R b 为有效传输速率,
C R 为编码率,S F 为扩频因子,B W 为带宽[7]
㊂本文中设计模块的C R 为4/5,S F 为
7,B W 为500k H z
sim卡托㊂该模块的理论有效传输速率为:R b =7ˑ4/5
27
500k H z
=21.875k b p s 该值满足微型无人机采用的MA V L i n k 协议对数据传输的空口速率要求㊂
1.2 M C U 模块设计
M C U 模块如图1所示㊂使用了温补晶振T C X O 5032
，具有高稳定性㊁高精度和低功耗，稳定性较普通晶振要高，可以起到温度补偿的作用，防止晶振工
作时温度过高产生不良现象，保证时钟的稳定性和精准性㊂M C U 通过S P I 接口实现与射频芯片之间的通信，完成射频芯片寄存器配置及数据通信，通过串口与上位机㊁飞控模块之间进行数据上传下达㊂
图1 M C U 模块设计图
1.3 射频模块设计
L o R a 射频模块电路如图2所示，为半双工模式㊂通过P E 4259射频S w i t c h 进行数据收发的切换，其插入损耗较低为0.35d B ，隔离度为30d B ㊁回波损耗为22d B ㊁
开关时间低为1.5μs ㊂当P E 4259的P i n 6引脚接入高电平后
由P i n 4引脚单独控制
㊂
图2 射频模块电路
电路制板时采用的是B G A 封装,
商旅系统如图3所示，模块体积小，存储空间大，重量轻㊂另一方面B G A 的芯片引脚是由中心向外引出的，缩短了信号的传导路径，减小了信号的损耗，提高了芯片的抗干扰和抗噪声性能
㊂
一次性封条
图3 B G A 模块实物
2 数据收发机制及自适应发射功率设计
2.1 同步时分数据收发机制设计
引航员软梯本文利用定时器中断㊁D MA 中断㊁I /O 引脚中断和同
步数据包设计了一种同步时分数据收发机制㊂将模块通信时间分成短的时间段，每个时间段内，按需求分配模块发送和接收时间，两个数传模块通过同步数据包保持一发一收状态㊂在定时器中断处理中进行同步数据包发送，同步数据包内含当前模块缓存数据大小㊂模块发送或接收
到同步数据包时进行收发状态切换，并根据收发模块缓存数据大小设置下一段时间内模块收发时间占比㊂数传模块的M C U 通过D MA 接收无人机机载飞控模块发送的
MA V L i n k 数据包,MA V L i n k 数据包大小从十几个字节到一百多字节不等㊂在D MA 中断处理中对数据进行处理，每256个字节作为一包,
进行数据发送或缓存㊂利用L o R a 芯片的D I O 0引脚中断进行
数据发送，将发送的数据包以每64字节为一帧，若发送数据帧为数据包的最后一帧，则判断同步数据包标志是否为1，若为1则切换为接收模式，否则进行缓存数据包发送㊂
模块利用定时器进行数据接收，在定时器中断处理中判断同步数据包标志，若为1则进行同步数据包发送并切换收发状态，否则进行数据接收㊂
2.2 自适应发射功率设计
为了降低模块双向实时通信中的功耗，对S X 1278的工作模式进
行了相应的设计㊂通过设置主从机模式发送心跳包和应答包，实现模
块自适应发射功率设置㊂无人机端为主机，地面遥控端为从机㊂主机以固定频率给从机发送心跳包，从机收到心跳包后，根据收到心跳包的R S S I 值设置发射功率大小，并将该功率大小以应答包回传给主机，主机收到回传包后进行相应的功率设置㊂功率设置的原则是随距离和路径损耗的增加提高模块发射功率，既保证了远距离时模块的发射功率需求，也降低了近距离通信时模块的功耗㊂
3 模块测试
模块的质量小于3g ，为充分评估无线数传模块的性
能，对模块发射功率㊁功耗㊁R S S I 值㊁
数据通信距离进行了测试㊂利用频谱分析仪对射频芯片的发射功率进行测试，发射功率为16.77d B m ，如图4所示，模块的R S S I 值通过
串口打印到P C 机㊂实验测出不同通信距离下射频芯片的发射频率㊁模块功耗及通信的R S S I 值，如表1所列，实验测试结果符合自适应发射功率的设置㊂
表1 模块测试数据表
通信距离/m 射频芯片
发射功率/d B m 模块
功耗/mW R S S I 值300017297-12550013115-125100
7
85
-125
图4 发射功率测试
数传模块的可靠通信距离决定了无人机的最大飞行距离，实验将数传模块与飞控模块连接固定于无人机上，在五里河对数传模块的可靠通信距离进行测试，地面用相同的数传模块进行接收㊂实测模块通信距离达到了4.6
k m ，如图5所示㊂利用Q G r o u n d C o n t r o l 查看飞行时通信丢包率，如图6所示，丢包率为6%，满足无人机的飞行距离与通信质量的要求㊂
图5 实验测试场景与距离
4 结 语
本文基于L o R a 技术提出了同步时分数据收发机制
和自适应发射功率方法，设计了一款低功耗㊁重量轻㊁远距离实时双向通信的无线数传模块㊂测试结果表明，模块发射功率为17d B m 时，功耗为287.1mW ,
模块可靠通信距图6 模块通信丢包率
离达4.6k m ,
模块重量小于3g ，符合无人机微小型化趋势，在满足通信距离要求的前提下，减小了模块功耗和重量㊂
参考文献
[1
]金伽忆，朱烨，曾舒婷，等.小型多旋翼无人机续航问题研究[J ].电脑知识与技术,2017,13(16):197199.[2]朱洁，戴慧，王洪强.无人机无线通信传输系统的设计[J ].
电子世界,2020(3):188189.
[3]资文彬，董楚楚，曹康.L o R a 无线数据传输模块的设计与实
现[J ].集成技术,2018,7(3):5461.
[4
]龚晓莉，李健.小型无人机数据采集与通信系统的设计与实现[J ].微计算机信息,2007(34):100101,124.[5]卢晓莹.远程海洋网络监测系统设计与实现[D ].
厦门：厦门大学,2016.
[6]M a r j a n i S .F u n d a m e n t a l s o f C o mm u n i c a t i o n S y
s t e m s [J ].T r a n s a c t i o n s o f t h e K o r e a n S o c i e t y o f M e c h a n i c a l E n g
i n e e r s A ,2013,30(4):457464.
[7]程亚军.基于L o R a 技术远距离无线通信模块的研究与设计
[D ].重庆：重庆邮电大学,2018.
史振，主要研究方向为嵌入式系统开发㊁L o R a 技术应用；崔恒荣(硕导)，主要研究方向为5G 通信毫米波技术㊁微波/毫米波近程探测技术㊁嵌入式智能微系统㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-10-16
) [5
]丁梦遥，魏霞.基于单片机操作平台的数据采集网关的设计[J ].现代电子技术,2019,42(1):2832.
[6
]张鑫，李琰，王文斌，等.电动汽车充电预约配对算法研究[J ].电气工程学报,2020,15(2):1823.
[7]杨皓东.基于M o d b u s 的用电信息采集子系统设计与实现
[D ].成都：电子科技大学,2019.
[8]邓浩然，刘磊，马亚辉，等.N B I o T 的物联网温度监测云平
台服务系统设计[J ].单片机与嵌入式系统应用,2020,20
(5):4750.
张鑫(硕士研究生)，主要研究方向为电动汽车充电调度；李琰(硕士生导师)，主要研究方向为智能电网㊁无线传感网㊁无线通信等㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-09-07
)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议