基于LoRa的光節(jié)點(diǎn)光功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 毅，徐宏宇，唐澤坤

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

隨著我國(guó)光纖到戶工程的實(shí)施，以光纜作為傳輸介質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)正趨于全面覆蓋。光纖通信技術(shù)的發(fā)展也使光纜所承載的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，這就意味著如果光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中，光功率值能切實(shí)反映出信號(hào)在光纖中的傳輸狀態(tài)[2]，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備失效、光纖斷線等故障都能通過(guò)光功率值反映。因此，通過(guò)在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中放置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)的光功率并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳，就能主動(dòng)有效地發(fā)現(xiàn)故障。與傳統(tǒng)的人工定期實(shí)地巡檢相比，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方案能有效縮短故障時(shí)間，且節(jié)省成本。

在現(xiàn)有的光功率監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案中，監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)上傳的主要方式有GPRS、ZigBee以及利用被監(jiān)測(cè)線路上傳等三種[3-5]。它們都有各自的不足之處，如表1所示。

表1 三種數(shù)據(jù)上傳方式存在的缺陷

采用LoRa(Long Range)技術(shù)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳方式，能有效解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸缺陷。LoRa技術(shù)可實(shí)現(xiàn)通信距離在郊區(qū)環(huán)境達(dá)15公里，在市區(qū)也能達(dá)到3公里。其接收靈敏度更是達(dá)到了-148dBm，最大鏈路預(yù)算可達(dá)168dB。LoRa采用了一種特殊的線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，只要采用不同擴(kuò)頻序列即使終端使用相同的通信頻率也不會(huì)相互干擾，從而大大提升了抗干擾能力[6]。在LoRa技術(shù)未出現(xiàn)前，無(wú)線通信的通信距離和功耗被認(rèn)為是不可兼顧的，但是LoRa卻在通信距離超遠(yuǎn)的情況下功耗還極低，理論上一節(jié)普通的五號(hào)電池就能支持LoRa工作十年。LoRa采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是延遲最低、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的，另外LoRa使用無(wú)需授權(quán)的ISM頻段，這些都為自組網(wǎng)提供了便捷。雖然在最高數(shù)據(jù)傳輸速率上LoRa技術(shù)不及其他無(wú)線傳輸技術(shù)，不過(guò)這對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)量少的光功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)完全滿足需求[7-9]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及功能

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的光功率值，從而有效判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在故障。系統(tǒng)采用LoRa傳輸技術(shù)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、可靠，可完全擺脫對(duì)現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)的依賴，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、LoRa信號(hào)傳輸中繼、數(shù)據(jù)接收端以及控制顯示PC。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)完成光功率數(shù)據(jù)的采集、處理和上傳。中繼器在LoRaWAN中起到信號(hào)中繼傳輸?shù)淖饔?，延長(zhǎng)無(wú)線傳輸?shù)木嚯x。接收端在接收到各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后，通過(guò)串口傳送給PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及告警。在PC控制顯示端如果某一終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)故障，則可以立即告知維修人員去該點(diǎn)進(jìn)行維修。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 LoRaWAN通信協(xié)議

通常所說(shuō)的LoRa是指在物理層上的傳輸技術(shù)，而LoRaWAN是指為L(zhǎng)oRa遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)[10]。針對(duì)后續(xù)LoRa模塊配置以及軟件設(shè)計(jì)需要，對(duì)LoRaWAN通信協(xié)議中兩個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

(1)終端信息傳輸模式。在LoRaWAN協(xié)議中規(guī)定了三種信息傳輸模式，分別為Class A、Class B、Class C[11]。Class A模式下功耗最低，這種模式主要針對(duì)上行數(shù)據(jù)為主，終端要想接收到下行數(shù)據(jù)只能在發(fā)送上行數(shù)據(jù)之后，在每次上行后都會(huì)緊跟兩個(gè)短暫的下行接收窗口。Class B模式，除了Class A模式的隨機(jī)接收窗口外，還會(huì)在指定時(shí)間打開(kāi)接收窗口。Class C模式下的終端基本上是一直打開(kāi)著接收窗口的，只在發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(shí)短暫關(guān)閉。

(2)終端節(jié)點(diǎn)的接入網(wǎng)方式。在每個(gè)終端收發(fā)數(shù)據(jù)前，都必須先加入LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。接入LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)方式有兩種：Over-the-Air Activation(空中激活方式OTAA)和Activation by Personalization(獨(dú)立激活方式ABP)。OTAA接入網(wǎng)方式需要通信終端先向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送接入請(qǐng)求，然后在服務(wù)器驗(yàn)證其相關(guān)信息之后，給其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)會(huì)回復(fù)終端相關(guān)信息以產(chǎn)生密鑰來(lái)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密和校驗(yàn)。而ABP接入網(wǎng)方式則直接在通信終端進(jìn)行LoRaWAN最終通信參數(shù)的配置，然后可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)[12-13]。OTAA接收方式雖然安全性相對(duì)較高，但是也會(huì)增加組網(wǎng)的復(fù)雜程度。

2 監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端主要包括主控單元MCU、光功率測(cè)量單元以及LoRa通信模塊等，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用的MCU為STM32F407ZGT6，它具有192KB的SRAM、1M的FLASH、2個(gè)CAN、6個(gè)串口、3個(gè)SPI和一個(gè)10/100M以太網(wǎng)MAC控制器等，功能配置十分強(qiáng)大。在實(shí)際光功率監(jiān)測(cè)中，利用光耦合器從待測(cè)光纖線路中分出一定比例的光功率(3%～5%)用于檢測(cè)。所分出的光信號(hào)在經(jīng)過(guò)光功率測(cè)量單元后，測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳給STM32主控單元，主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后通過(guò)LoRa通信單元發(fā)送出去。

圖2 監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.1 光功率測(cè)量單元設(shè)計(jì)

光耦合器將從光纖線路中分出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，此時(shí)的電流信號(hào)十分微弱，采用對(duì)數(shù)放大并進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號(hào)，之后才能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送入STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到光功率值。

(1)光電探測(cè)器。光檢測(cè)原理主要是基于光輻射與材料相互作用時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)。光電探測(cè)器種類(lèi)繁多，如有PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管和光電三極管等，不同類(lèi)型間的光電探測(cè)器性能有較大差異，就算是同一種類(lèi)型的光電探測(cè)器也因它們的鑄造材料不同性能也有所區(qū)別。例如，APD雪崩光電二極管就有Si、Ge、InGaAs三種鑄造材料的類(lèi)型區(qū)別，不管是從響應(yīng)度還是APD增益來(lái)說(shuō)，InGaAs型要優(yōu)于Si型和Ge型的雪崩光電二極管[14]。光電探測(cè)器的選擇可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定，不一定要選擇性能最好的，需要兼顧性能和價(jià)格等因素。市場(chǎng)上使用較多的是InGaAs-PIN光電二極管，其可探測(cè)波長(zhǎng)包含了常用的波段，且具有較高的監(jiān)測(cè)靈敏度和較低的噪聲，是一個(gè)比較理想的選擇[15]。

(2)對(duì)數(shù)放大和I/V轉(zhuǎn)換部分電路設(shè)計(jì)。對(duì)于對(duì)數(shù)放大電路和I/V轉(zhuǎn)換部分，采用對(duì)數(shù)放大器AD8304進(jìn)行設(shè)計(jì)。AD8304針對(duì)光纖系統(tǒng)中的低頻信號(hào)功率測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化。它采用先進(jìn)的跨導(dǎo)線性技術(shù)，可提供多樣、易用的極寬動(dòng)態(tài)范圍。大多數(shù)應(yīng)用中只需要5V單電源，但也可使用3.0V至5.5V電源。使用低電源電壓時(shí)，可以輕松更改對(duì)數(shù)斜率以適應(yīng)可用范圍[16]。AD8304集成了溫度補(bǔ)償電路，這使得轉(zhuǎn)換精度得以提高。其內(nèi)部由對(duì)數(shù)比轉(zhuǎn)換器和線性運(yùn)算放大器組成。由InGaAs-PIN光電二極管輸出的微小電流信號(hào)在AD8304內(nèi)完成了對(duì)數(shù)放大及電流至電壓的轉(zhuǎn)換，最后輸出電壓信號(hào)。

對(duì)數(shù)放大器輸入電流IIN與輸出電壓VOUT以及被測(cè)功率P關(guān)系如式(1)～式(4)所示。

P=K2VOUT+C2

(1)

P=10lgPIN

(2)

(3)

(4)

上式中，K1、C1、K2、C2均為常數(shù)，其中K1、C1由芯片外接電阻所決定。ρ為InGaAs-PIN光電二極管的響應(yīng)度，PIN為輸入光功率。由上式可知，輸出電壓值VOUT與被測(cè)功率值P之間為簡(jiǎn)單的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)數(shù)放大電路和I/V轉(zhuǎn)換部分電路原理圖如圖3所示。

圖3 對(duì)數(shù)放大和I/V轉(zhuǎn)換電路

(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)部分設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)終端使用的主控單元為STM32F407ZGT6，它自帶12位逐次趨近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。有多達(dá)19個(gè)復(fù)用通道，可測(cè)量來(lái)自16個(gè)外部源、兩個(gè)內(nèi)部源和通道信號(hào)。這些通道的A/D轉(zhuǎn)換可在單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)采樣模式下進(jìn)行[17]。STM32F407ZGT6包含有3個(gè)ADC。ADC最大轉(zhuǎn)換速率為2.4 MHz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.41 μs。ADC的轉(zhuǎn)換分為兩個(gè)通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。規(guī)則通道相當(dāng)于程序正常運(yùn)行，而注入通道相當(dāng)于中斷。在滿足需求的情況下采用MCU內(nèi)部的ADC不僅簡(jiǎn)化了電路，而且也提高了系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化了程序編程[18]。

2.2 LoRa通信單元

LoRa通信單元采用的是廣州星翼電子科技有限公司出品的ATK-LORA-01型LoRa通信模塊。該模塊內(nèi)部封裝了常用的LoRa通信芯片SX1278，只引出6個(gè)引腳：MDO、AUX、TXD、RXD、GND和VCC，MCU或者PC通過(guò)串口即可連接模塊[19-20]。模塊可配置65536個(gè)(0X0000～0XFFFF)地址，工作頻率在410 MHz～441 MHz，以1 MHz頻率為步進(jìn)信道，共32個(gè)信道，而且內(nèi)置有雙512字節(jié)環(huán)形FIFO，內(nèi)部完成自動(dòng)分包發(fā)送和接收。在模塊正常通信前，需要將它與上位機(jī)PC相連，PC通過(guò)AT指令來(lái)設(shè)置相應(yīng)的模塊參數(shù)。

(1)模塊參數(shù)配置。首先得讓模塊進(jìn)入?yún)?shù)配置狀態(tài)，將模塊MD0腳接高電平(3.3V)，AUX腳懸空(模塊引腳懸空時(shí)為輸入低電平0V)，TXD腳接串口線RXD，RXD腳接串口線TXD，GND接地，VCC接3.3V電源。在PC端通過(guò)串口助手發(fā)送相應(yīng)的AT指令即可完成參數(shù)配置，需要配置的參數(shù)及相應(yīng)的AT指令如表2所示。

模塊的三種工作模式其實(shí)在內(nèi)部將SX1278芯片都配置為Class C工作模式，模塊的接收是一直打開(kāi)的，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)中斷接收(模塊表現(xiàn)為“一般模式”)，而“喚醒模式”和“省電模式”只是在接收的時(shí)間上做出調(diào)整相反會(huì)影響數(shù)據(jù)的發(fā)送，因此在模塊的工作模式上選擇一般模式。數(shù)據(jù)發(fā)送需先將數(shù)據(jù)送入模塊內(nèi)部的FIFO，F(xiàn)IFO再通過(guò)串口送到射頻發(fā)射部分發(fā)送出去，參數(shù)中“波特率”和“檢驗(yàn)位”配置的是FIFO到射頻發(fā)射部分的串口通信，此外必須保證“空中速率”不小于“波特率”，否則FIFO將溢出造成數(shù)據(jù)丟失。模塊的激活接入方式為獨(dú)立激活接入ABP，直接對(duì)相應(yīng)通信參數(shù)(模塊地址、通信信道、空中速率)進(jìn)行配置即可接入網(wǎng)絡(luò)正常通信[21-22]。

表2 參數(shù)配置及相應(yīng)AT指令

(2)模塊進(jìn)入LoRa通信狀態(tài)。模塊通過(guò)串口與監(jiān)測(cè)終端MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，配置相應(yīng)引腳模塊即可進(jìn)入LoRa通信狀態(tài)：MD0引腳接低電平，TXD腳接MCU串口RXD，RXD腳接MCU串口TXD，GND、VCC接MCU對(duì)應(yīng)接口。此時(shí)模塊的AUX引腳為輸出狀態(tài)，指示FIFO內(nèi)是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，將AUX接監(jiān)測(cè)終端MCU普通GPIO引腳，通過(guò)讀取引腳狀態(tài)就能得知數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。

3 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端主要完成光功率值的測(cè)量、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的LoRa射頻傳輸。為減少終端設(shè)備能耗，延長(zhǎng)設(shè)備的工作時(shí)間，在保證系統(tǒng)有效性的前提下選取合適的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，其他時(shí)間設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。在終端設(shè)備上電后，首先進(jìn)行的是光功率測(cè)量單元、LoRa通信模塊以及主控MCU的初始化。初始化完成之后，要讓LoRa射頻傳輸模塊激活接入網(wǎng)絡(luò)(獨(dú)立激活接入ABP)，監(jiān)測(cè)終端會(huì)向接收端發(fā)送一段特定的字符串?dāng)?shù)據(jù)(包含監(jiān)測(cè)終端地址)，告知接收端其準(zhǔn)備接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在接收端收到這段字符串后會(huì)向該監(jiān)測(cè)終端反饋一字符串，表示通信正常、接入網(wǎng)絡(luò)成功。待接入網(wǎng)絡(luò)成功后，進(jìn)入主程序循環(huán)，首先向光功率測(cè)量單元發(fā)出檢測(cè)指令，在收到光功率數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理完成之后送入FIFO中，最后通過(guò)LoRa射頻傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢以后設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次計(jì)時(shí)結(jié)束喚醒設(shè)備重復(fù)程序主循環(huán)流程，程序流程圖如圖4所示。為防止程序跑飛，在程序中加入了看門(mén)狗監(jiān)聽(tīng)復(fù)位程序，一旦程序跑飛將重啟監(jiān)測(cè)終端設(shè)備。

4 接收端硬件設(shè)計(jì)

接收端的硬件設(shè)計(jì)只需將監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)去掉光功率測(cè)量單元，保留LoRa通信模塊部分和電源模塊部分即可適用。接收端LoRa通信模塊的參數(shù)配置和進(jìn)入LoRa通信狀態(tài)配置過(guò)程與監(jiān)測(cè)終端基本一致，區(qū)別僅在于地址配置上和波特率上，在此不再贅述。需要注意兩點(diǎn)：第一，在“空中速率”參數(shù)配置上，監(jiān)測(cè)終端要與接收端保持一致；第二，“波特率”不小于“空中速率(19.2 kbps)”，否則FIFO將溢出。

5 接收端軟件設(shè)計(jì)

接收端主要完成數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)到PC端顯示。接收的數(shù)據(jù)有兩種：一種是監(jiān)測(cè)終端上傳的光功率數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)MCU只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口轉(zhuǎn)發(fā)即可；另一種數(shù)據(jù)是監(jiān)測(cè)終端發(fā)送的激活接入網(wǎng)測(cè)試字符串，對(duì)于這種數(shù)據(jù)需要向發(fā)送的監(jiān)測(cè)終端反饋一個(gè)特定的字符串，告知通信正常，可以開(kāi)始正常監(jiān)測(cè)。在發(fā)送反饋數(shù)據(jù)時(shí)接收是被中斷的，在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后重新回到偵聽(tīng)接收狀態(tài)。程序流程圖如圖5所示。

圖4 監(jiān)測(cè)終端程序流程圖

圖5 接收端程序流程圖

6 PC顯示端Labview設(shè)計(jì)

在PC端Labview設(shè)計(jì)前面板中，對(duì)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行了直觀顯示，包括接入網(wǎng)絡(luò)的所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)光功率值表格顯示和單個(gè)節(jié)點(diǎn)光功率值的波形圖顯示。通過(guò)各監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)上傳的光功率值與預(yù)設(shè)的正常值范圍進(jìn)行比較，就可以判斷各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，如果光功率低于預(yù)設(shè)值則報(bào)警。同時(shí)還將監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)以文本格式存儲(chǔ)，方便后續(xù)查看、調(diào)用。要特別說(shuō)明的是，在運(yùn)行程序配置Labview串口通信參數(shù)時(shí)要確保與接收端LoRa模塊串口配置一致，否則接收數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)。

在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶終端、支線、干線等線路位置對(duì)于光功率的要求是不一樣的，如在用戶終端要保證正常通信光功率值不能低于-25 dBm，而在支線和干線上光功率最低標(biāo)準(zhǔn)比用戶終端要高很多。由于各監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)所處的位置不同，就需要根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置各節(jié)點(diǎn)光功率值正常值范圍，而不采用固定值，程序框圖如圖6所示。根據(jù)預(yù)設(shè)的各節(jié)點(diǎn)光功率上下限對(duì)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)做出兩種判決：“正?！焙汀肮收稀保⑴袥Q狀態(tài)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表格中顯示。

表格顯示部分包含各監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的地址、上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間、光功率值、設(shè)置的正常值范圍以及當(dāng)前狀態(tài)等信息。這些信息以一秒為時(shí)間間隔不斷更新，只要監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)有上傳新數(shù)據(jù)就可以在表中清楚看到。波形圖顯示可以單獨(dú)選取某一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)觀察該節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的波形走勢(shì)數(shù)據(jù)，更加具體地看出該節(jié)點(diǎn)的歷史狀態(tài)，該部分的程序框圖如圖7所示。

圖6 設(shè)置各節(jié)點(diǎn)光功率正常值范圍程序框圖

圖7 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值波形圖顯示程序框圖

在所有監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)都處于正常狀態(tài)時(shí)，故障報(bào)警指示燈為綠色，在指示燈旁邊的故障節(jié)點(diǎn)列表也為空。如果有故障發(fā)生故障指示燈將變?yōu)榧t色，并在旁邊的故障節(jié)點(diǎn)列表顯示故障節(jié)點(diǎn)。Labview程序設(shè)計(jì)前面板如圖8所示。

7 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

7.1 光功率測(cè)量單元測(cè)試

為驗(yàn)證光功率測(cè)量單元性能，通過(guò)固定光源(波長(zhǎng)為1 310 nm)經(jīng)過(guò)光衰減器進(jìn)行光功率值的人工調(diào)節(jié)，然后輸入測(cè)量單元。測(cè)試數(shù)據(jù)與深光公司的光功率計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 光功率測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)計(jì)的光功率測(cè)量單元測(cè)量精度達(dá)到了現(xiàn)有商用市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量誤差小，測(cè)量分辨率為0.01 dBm，測(cè)量范圍廣，可以滿足本設(shè)計(jì)測(cè)量需求。

7.2 LoRa通信測(cè)試

在LoRa通信測(cè)試中，模擬網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端、一個(gè)LoRa通信中繼器和一個(gè)數(shù)據(jù)接收端，接收端通過(guò)串口與一臺(tái)PC相連，利用串口調(diào)試助手顯示采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在較空曠的街道上，天氣晴朗的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，每次監(jiān)測(cè)終端發(fā)送一百個(gè)數(shù)據(jù)包，在有中繼和無(wú)中繼的情況下數(shù)據(jù)的傳輸情況分別如表4和表5所示。

從表4和表5可以看出，在市區(qū)環(huán)境下無(wú)中繼的LoRa通信距離在1.5公里左右可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)丟失傳輸，在三公里左右數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重。在有中繼的情況下數(shù)據(jù)無(wú)丟失傳輸距離提升到了3公里左右，通信距離到達(dá)5.3公里時(shí)數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重。

7.3 系統(tǒng)總體測(cè)試

采用兩個(gè)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)接收端和一臺(tái)PC進(jìn)行系統(tǒng)總體測(cè)試。分別對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)終端和接收終端的LoRa通信模塊進(jìn)行配置，兩個(gè)監(jiān)測(cè)終端地址分別設(shè)置為0X1001和0X1002，接收端地址設(shè)為0X0000，監(jiān)測(cè)終端波特率都設(shè)為9600，接收端波特率設(shè)為38400，其他參數(shù)配置如前所述。PC端Labview串口配置與接收端LoRa模塊的配置相同。接收端通過(guò)串口與PC相連，先運(yùn)行接收端，再運(yùn)行PC端Labview程序，最后運(yùn)行兩個(gè)監(jiān)測(cè)終端。系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，可以在Labview前面板看到兩個(gè)監(jiān)測(cè)終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，如圖8所示。

表4 無(wú)中繼條件下LoRa通信測(cè)試結(jié)果

表5 有中繼條件下LoRa通信測(cè)試結(jié)果

圖8 系統(tǒng)總體測(cè)試Labview運(yùn)行時(shí)前面板顯示

8 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用LoRa技術(shù)作為監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)上傳方式，LoRa技術(shù)解決了無(wú)線通信不能兼顧功耗與傳輸距離的問(wèn)題。相對(duì)于GPRS、ZigBee等無(wú)線傳輸方式LoRa體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便，可完全擺脫對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的依賴，提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)在保證監(jiān)測(cè)能力的情況下，盡量降低功耗以延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)終端在電池供電情況下的工作時(shí)間。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間短，接收靈敏度高，監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的加入或移除十分靈活，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及狀態(tài)可以通過(guò)PC端Labview直觀顯示，很好地滿足了光纖線路節(jié)點(diǎn)光功率監(jiān)測(cè)需求。