在机场应急疏散系统中的LoRa低功耗组网设计与实现
蔡明 孔德伟
【摘要】 本文针对基于LoRa的机场应急疏散系统为基础，提出了LoRa低功耗需求，并根据相关LoRa低功耗技术研究成果，着重围绕组网优化技术进行了分析和探讨，在对LoRa技术与功耗、节点功耗特点、低功耗策略进行了必要介绍的基础上，进一步就LoRa节点入网和多跳时隙分配机制优化研究成果进行了介绍和分析，并结合某机场应急疏散管理系统的应用试验，对低功耗优化机制进行简要比较，为后续进一步深入研究LoRa全网低功耗提供了必要积累。
【关键词】 应急疏散系统 LoRa 低功耗组网
引言：
当今，随着社会、经济和文化迅猛发展，人们对交通出行提出了更加迫切需求，不仅仅满足于传统的“行”，更提出了“行”的便捷、高效的要求。搭乘航空交通工具出行则越来越受到青睐，也成为人们城际、省际和跨境出行的首选方式。因此，作为航空交通的核心枢纽——机场就成为人流汇集、人群密集场所。然而，当前国内外局势不是很理想，恐怖袭击和意外事件常有发生，加之烈性传染病毒引发的疫情管控更加显著，并越发趋于常态化疫情防控，这对于人流密集的公共场所就成为了凸显的防范重地;而当紧急突发事件发生时，往往需要组织人员应急疏散，这对于机场在内的公共场所的安检管理部门如何为人员快速建立疏散通道提出了新的要求。而在机场环境中，为了日常安检管理的需要，采用大量隔离设施设置区域分区，但基本都是通过人员人工操作完成隔离设施的解除操作，在发生突发事件需要释放时，需要人员在现场进行工作，并且释放动作不能全部同步进行，在释放不及时时，给航站楼带来极大的安全隐患。
为此，本文基于LoRa建立了一套针对隔离设施应急疏散的管理系统，前期试验已取得一定的良好效果，但是，考虑到隔离设施日常部署灵活、环境取电不便等特点，但又需要相关设施能长期处于工作监守状态，因此，本文着重围绕系统低功耗要求目标，提出LoRa低功耗组网设计与应用实现，帮助应急疏散系统在机场环境应用中更好地发挥其作用和优势。
一、物联系统低功耗组网现状概述
1.1物联网低功耗概述
LoRa作为传输层的重要承载主要应用方向则是面向物联网系统，近来，物联网系统从发展到应用不仅停留在重视层面，对其实际效用已经获得普遍认可。作物物物相连的互联网，通常而言，物联网的连接对象只有在需要信息互动时才会联网，而大部分時间则都处于监听等待状态。当设备处于监听等待状态时，如果仍然保持连接在线，不仅没有必要，更是浪费能量，此状态下，是完全可以释放它所占用的频谱资源。而传统的移动互联网中要求终端设备需要保持实时在线，处于随时可以在线处理业务响应，因此，系统能耗消耗最大的链路保持难以得到释放，这样的开销非常不适合于承载物联网相关的业务，就需要一种新的网络连接方式，使得终端能够在有需要时，即有信息交互传输时才建立连接，其余时间则可处于离线休眠状态，从而大大节省能耗开销，达到降低能耗的目的。
1.2 LoRa碰撞与低功耗概况
在空旷环境的条件下，LoRa 最远理论传输距离达15公里以上，由于LoRa具有超长传输距离的特点，因而其终端控制节点在较为空旷、障碍物较少的使用场景中使用，则不需要通过其他节点进行中继的方式。都可以与集中控制器进行通信。实际测试也表明，LoRa超远距离传输只有在障碍物，特别是在建筑物较少的环境下才能测得远距离通讯的效果;在建筑物内部，墙体较为密集、环境复杂的条件下，对LoRa信号衰减较为严重，导致LoRa无线信号传输距离降低，也导致了单跳的LoRa网关存在覆盖范围不够，不能完全满足在该应用场景下使用。同时，由于LoRa的MAC层采用的是纯的 Aloha 无线通信协议， 虽然 Aloha协议存在省电和简单的优点，但也无法避免信号之间冲突和由此导致的低效率的问题。这些问题都可以通过设计适合 LoRa自组网协议来进行解决。
LoRa 技术的出现使得无线传感器网络对于低功耗、远距离通信等要求变得切实可行。虽然 LoRa有低功耗、远距离的优点，但是 LoRa WAN 也存在网关覆盖范围不足、信号碰撞严重并导致通信效率低缺点。因而本文将通过研究LoRa 低功耗传感网，从Lo Ra 低功耗组网方式上进行设计，以期为上述问题提供解决参考。
二、基于LoRa的低功耗设计
要达到延长保持LoRa网络中全网运行周期，实现 LoRa 的低功耗设计就是必然选择。LoRa终端节点的功耗降至极低限，理论上可以选择将终端节点置于休眠状态。并且将LoRa作为低数据速率传输链路配置，可以让终端收发消息的频率进一步降低等手段来实现，但这样的牺牲能否保证LoRa全网的可靠性，就成了一种利弊抉择。因此，从LoRa组网着手设计功耗控制，则是一种兼顾利弊的选项。
2.1 LoRa低功耗研究现状
为了尽量延长能量有限的无线传感器节点的寿命，增加网络的整体生存时间，目前，研究者已经提出了很多经典的低功耗传感网相关协议。如通过将数据进行融合从而减少数据收发次数，进而降低节点能耗的 LEACH （ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy ） 协 议，以及基于该协议进行改进形成的 PEGASIS （ Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems ） 协议和 HEED （ A Hybrid，Energy-Efficient Distributed clustering approach ） 协议;通过减少不必要的数据发送，从而提高发送数据有效性进而降低节点单位数据能耗的 SPIN （ Sensor Protocol for information via negotiation ） 协议和 Directed Diffusion 协议以及其他的低功耗无线传感器网络协议。
另外，还有针对 LEACH 协议中传感器节点将数据直接发给簇首节点，而簇首节点又将融和的数据直接发给远处的基站，这样的节点与簇首及簇首与基站之间进行远距离通讯方式存在过高消耗能量的情况进行改进，提出了 MELEACH （ More Energy-efficient LEACH ） 协议即采用最小生成树算法选取距离簇内节点的最近的邻居节点和距离簇首节点最近的簇间节点分别作为它们的父亲节点的方式进行多跳通信。该协议的优点是通过将长距离通信变为多跳短距离通信的方式降低传感器网络节点的整体能耗，缺点是跳数多导致的时延过大及维护不便等问题，故认为其不适用于LoRa 通信网络。
对 LEACH 协议中存在的不足进行改进，通过分析 LEACH协议存在非可靠传输机制中簇成员节点存在可能浪费能量的情况，即在稳定传输阶段，如果某个簇首节点因能量消耗过多而突然死亡，因为采用了非可靠的传输进制，数据传输无需回复 ACK 消息，如此簇内节点就无从知晓簇首死亡而继续发送数据，从而造成能量不必要的浪费。
通过对LoRa、低功耗传感器网相关协议的现有研究，加深了对 Lo Ra 技术及低功耗物联网络的理解，对设计适用于 Lo Ra 自组网协议具有借鉴意义。本文将根据LoRa 技术特点，就基于LoRa组网协议进行初步设计探索，以期发挥 Lo Ra在机场等大型室内建筑内组网通信、低功耗的优点，同时又能解决消息碰撞严重，效率不高的问题。
2.2 LoRaWAN软件层次结构分析
LoRa联盟官方设计了其协议栈的软件的层次结构，该层次结构分为物理层、MAC 层和应用层如图1所示。
在 Lo RaWAN 的软件层次结构中，各层的功能如下：
物理层：负责 Lo Ra 无线信号的收发与调制解调，物理层的 Lo Ra射频信号的工作频段因地区的不同而不同。具体地区工作频段为：欧盟 868MHz 频段和 433MHz 频段、美国 915MHz 频段、亚洲地区 430MHz 频段等。
MAC 层：负责 Lo Ra 信号接入控制、逻辑链路的管理。
应用层：为用户需求提供基于 Lo RaWAN 协议架构规范的应用程序、软件接口等。
其拥有三种通信模式分别为：Class A、Class B 和 Class C。详细介绍如下：
1. Class A
Class A 是 Lo Ra WAN 协议 MAC 层的基础通信模式，其允许终端与网关进行双向通信。如图 2 所示，终端在发给网关一个上行信号后方可进行下行通信，终端会在一个上行信号后打开两个接收窗口。上行通信的信号传输参数与终端自身的通信需求有关，下行通信的信号参数与上行一致。
2. Class B
支持 Class B 的终端设备，除了支持 Class A 中在一个上行通信之后，开放两个下行窗口外，还会开放额外的窗口用于接收下行数据。为了实现这一点，终端设备会同步从网关接收到一个 Beacon，用于告知服务器该终端设备正在侦听如图3所示。
3. Class C
Class C 是为那些不需要过多考虑能量的终端设备而设计，支持 Class C 的终端会持续地开启接收窗口，只是在需要进行上行数据发送的时候才会关闭如图 4所示。支持 Class C 的终端不会支持 Class B，反过来亦是如此。
2.3 LoRa节点功耗分析
对于LoRa低功耗网络的研究随着其应用范围的愈加广泛，越来越受到更多关注和投入。而LoRa网络中的节点功耗则成为其中的研究重点之一。怎么样降低LoRa组网的功耗，需要优先考虑节点的功耗，延长节点的寿命有着直接的影响。而从LoRa节点功耗分析发现，节点模块对功耗影响明显主要来自三类：传感器模块、射频通信模块和 MCU 模块，相关模块功耗分析如图 5 所示。
传感器模块功耗来源于数据采集;MCU功耗则与具体型号有关，功耗主要由其运算过程产生;射频通信模块负责数据收发，其数据有效长度，传输的频率是功耗产生的直接原因。因此，如何有效控制射频模块的收发则成为LoRa低功耗设计的关键因素。
2.4低功耗设计一般策略
本文认为LoRa低功耗设计主要从硬件层面和软件层面展开，硬件层面主要是器件的选型与硬件的设计，软件层面主要是协议优化。具体设计策略包括：
1. 硬件设计
低功耗节点设计是基于良好的软件设计和硬件设计共同结果，包括对MCU、射频模块和传感器模块在内的重要器件，其选型选是进行低功耗设计的首选。
2. 功率控制
低功耗节点合理的发射功率是可以让节点以最小的功率完成满足设计要求，满足指令、数据交换。当前，已有相关的研究者提出基于节点方位進行统一管理的功率控制算法。
3. 协议优化
优化协议来避免不必要的数据发送行为也是降低节点能耗的有效途径，同时合理设计协议算法来避免通讯冲突、降低数据重传带来的消耗也能显著改善节点能耗水平。
4. 休眠策略
LoRa节点在进行工作时都有着较高的功耗，而休眠状态的功耗水平极低。设计合理的休眠策略，让节点在不需要工作的时候进行休眠，可以通过LoRa节点内部定时器对节点在需要工作时进行唤醒，可以有效降低节点的功耗。在机场应用环境中，LoRa节点控制器的电池不易进行维护或者更换，上述几种策略设计低功耗的LoRa网络更显必要。
三、基于LoRa的低功耗组网优化
目前，针对低功耗传感网进行自组网已有较多研究，并就组网协议提出低功耗方案，但并非适合 Lo Ra 低功耗控制。通过研究发现 LoRa WAN架构下的单跳网络存在两个问题：网关覆盖范围不足和 Aloha 协议因碰撞导致传输成功率低，导致LoRa增加收发信息负担，增加额外功耗开销。因此提出通过LoRa节点多跳组网机制优化，降低传输碰撞，通过提高传输成功率有效降低传输损耗，从而达到节省功耗的设计优化目的。
3.1 LoRa节点入网机制优化
我们知道，优化LoRa节点入网机制，首先要解决与网关直接建立通信的终端节点入网问题，其次要针对LoRa节点经多跳入网而产生的增加延时问题。因此本研究针对一种新的节点入网机制优化提出分析和研究。对所有LoRa节点控制器的入网采取基于一个时间上的超帧来进行研究。机制可分为超帧结构、消息类型和节点入网过程三个部分进行描述。
超帧结构分为三个时段，如图6 所示。分别是 Beacon 时段、CAP时段和 CFP 时段。其中 Beacon 时段为网关广播 beacon 消息的阶段;CAP 时段为节点竞争入网的阶段;CFP 时段为非竞争的数据传输阶段，LoRa节点控制器入网主要是在 CAP 时段完成。
这三个阶段的具体作用如下：
1. Beacon 时段
网关向其他LoRa节点控制器广播 beacon 消息。
2. CAP 时段
网关广播 beacon 消息完成之后即进入 CAP 时段，在现这阶段，收到 beacon 消息的LoRa节点控制器通过给网关节点发送请求入网消息来竞争入网。网关在收到请求消息后，回复该LoRa节点控制器一个包含入网短地址和时隙信息的消息。
如果LoRa节点控制器在等待一段时间后，没有收到网关回复的消息，就再次发送请求直到本次超帧的CAP 时段结束。如果在整个 CAP 时段，LoRa节点控制器都未能入网，就只能等待下一个超帧再进行入网申请。
3. CFP 时段
CFP 时段为LoRa节点控制器上传数据的阶段。即已经入网的LoRa节点控制器，将会根据允许入网消息中的时隙分配信息确定自己的数据发送时隙并在该时隙内将数据发送至网关。
本方案的超帧时长与具体每个超帧中的 CAP 及 CFP 时长由网关通过 beacon 消息广播到网内，其他节点根据 beacon 消息获得有关超帧的相关信息。
通过上述针对帧结构的优化，如果一个LoRa节点控制器，在开机后一段时间内没有收到网关广播的 beacon 消息，也不能确定该LoRa节点控制器就是多跳节点，LoRa节点控制器需要判断这段时间内网关有没有广播 beacon 消息。如果确定网关广播 beacon 消息了，但LoRa节点控制器没有收到，则可以确认不在网关的单跳通信范围内，否则不能确认。这样的方式既可以判定本LoRa节点控制器为多跳节点，同时也可以选取本节点的中继节点，在这个过程，不需要其他LoRa节点控制器单独发送短消息包，只需要多跳节点一直保持接收状态一段时间即可。
由于接收状态相比发送状态功耗小的多，这样就通过消耗多跳节点较少的能量来达到节约所有一跳LoRa节点控制器能量的目的，进而达到降低LoRa全网总体功耗的目的，该优化机制提供了一种有益选择。
3.2多跳时隙分配机制优化
现有方式将所有的两跳节点的时隙集中分配在一个时段，导致两跳跳节点的数据包传输时延增大的问题，从而提出一种新的多跳时隙分配机制以解决该问题，本文基于此进行了分析和应用试验。
该机制大致如下：
多跳节点的入网需要借助中继节点来完成，而数据发送时隙的申请同样如此。事实上本文的时隙分配机制是与入网地址分配一起进行的，即网关分配给LoRa节点控制器的入网短地址同时也是该LoRa节点控制器的数据发送时隙的序列号，而每个终端的数据发送时隙的时长都是相同的，也即LoRa节点控制器在获得网关分配的入网短地址的同时也就获得了数据发送时隙。
多跳LoRa节点控制器通过中继节点向网关申请入网地址及数据发送时隙，网关在处理中继LoRa节点控制器的多跳入网及时隙申请时，也要分为中继LoRa节点控制器本身已经入网并获得时隙和中继LoRa节点控制器本身未入网两种情况。
这样就可在同一超帧内，让多跳LoRa节点控制器在一个数据发送时隙内将数据上传至中继LoRa节点控制器，然后中继LoRa节点控制器在另一个数据发送时隙内将多跳LoRa节点控制器的数据和本LoRa节点控制器的数据一起发送给网关，多跳LoRa节点控制器的数据包不必等待其他两跳LoRa节点控制器时隙结束后，再有中继转发到网关;同时又不会影响其他一跳LoRa节点控制器在两个时隙点的数据发送，从而大大降低了整个网络的数据传输时延。
通过上述机制优化，在本系统中采用并进行验证初步表明，通过多跳时隙分配机制优化，可以在不降低LoRa节点控制器数据传输效率同时，有效节省传输时延，从而有效避免碰撞发生概率，达到收发功耗控制目标，当然，多跳时隙机制一定程度增加了节点MCU处理过程的功耗开销，如何评价总体功耗控制水平还有待进一步验证。
四、结束语
本文以公共场所中客运人流密集场所为应用需求提出及应用环境为背景，尤其是响应机场人流应急疏散现实需求为基础，在公共场所人员应急疏散控制系统基础上提出了LoRa低功耗组网优化技术进行了分析和探讨，首先对LoRa技术与功耗、节点功耗特点、低功耗策略进行了必要介绍，然后着重围绕LoRa节点入网和多跳时隙分配机制优化进行了介绍和分析，并通过某机场应急疏散管理系统进行了应用试验，一定程度支持了低功耗设计优化机制的合理性，为后续进一步深入研究LoRa全网低功耗提供了必要积累。
参 考 文 献
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