在机场应急疏散系统中的LoRa低功耗组网设计与实现.docx

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。1.2LoRa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LoRaWAN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LoRa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。2.1LoRa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