淺談基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)的探討

王曉昭

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘要：智慧校園的顯著(zhù)特征在于對校園內各種類(lèi)型傳感器的感知，其核心部件是智慧校園數據網(wǎng)關(guān)，使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行構建，具有易于布線(xiàn)、易于施工、易于維護等優(yōu)點(diǎn)。然后使用諸如Zigbee、WIFI、藍牙等傳統無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，在傳輸距離、功耗、效率等多方面都表現出明顯的缺陷。論文設計并實(shí)現了一種基于LoRa技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)，其具有部署簡(jiǎn)單、低成本、易于維護等顯著(zhù)特點(diǎn)，可在智慧校園解決方案中廣泛使用。

關(guān)鍵詞：LoRa；數據網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧校園

0引言

隨著(zhù)電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng )新，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)緊密結合并快速發(fā)展，其已成為推進(jìn)全球經(jīng)濟增長(cháng)的主要支撐點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)設備，作為解決“物聯(lián)網(wǎng)”的數據傳感和數據傳輸的關(guān)鍵設備，具有廣泛的用途。物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)有效解決了“物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展的數據鏈路問(wèn)題，其市場(chǎng)需求必將隨著(zhù)“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展而不斷大幅度增加，其將為國民經(jīng)濟的各領(lǐng)域的發(fā)展起到一定的推進(jìn)作用。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推進(jìn)了新型智慧城市以及智慧校園的快速發(fā)展，其是“互聯(lián)網(wǎng)+”的重要功能擴展，其對構建城市以及校園的基礎設施、信息化管理與服務(wù)起到了關(guān)鍵性的作用。物聯(lián)網(wǎng)需要將種類(lèi)繁多、格式各異、不同協(xié)議的數據進(jìn)行分布式采集、存儲和處理，而物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)能夠對多類(lèi)型的數據進(jìn)行整合和處理，實(shí)現數據之間的轉換與互聯(lián)。

智慧校園的顯著(zhù)特征在于對校園內各種類(lèi)型傳感器的感知，例如溫度、濕度、PM2.5、煙霧、門(mén)禁、漏水、門(mén)窗、電壓、電流、功率、用電量、用水量等。由于這些傳感器在校園內廣泛分布，為了避免布線(xiàn)的困難，其與中心服務(wù)器的傳輸一般采用無(wú)線(xiàn)方式。利用傳統的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)（例如Zigbee、WIFI、藍牙等）實(shí)現智慧校園的感知具有不可克服的困難，主要表現為：

（1）傳輸距離有限，不能將數據直接或少量中繼跳轉傳遞給中心服務(wù)器；

（2）采用傳統的自組網(wǎng)技術(shù)（例如Zigbee）技術(shù)進(jìn)行遠距離傳輸，由于傳輸距離遠，導致網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)數目較多，網(wǎng)絡(luò )管理復雜，傳輸效率低下；

（3）功耗普遍較高，在一些只能采用電池供電的特定應用場(chǎng)合，難以實(shí)現。

為了解決上述問(wèn)題，論文設計并實(shí)現了一種基于LoRa技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)，其使用LoRa傳輸方式與傳感器進(jìn)行通信，采集傳感器數據，并通過(guò)數據網(wǎng)關(guān)傳遞給中心服務(wù)器。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠，在園內，傳感器數據可以直接或僅通過(guò)1-2個(gè)中繼便可傳遞到中心服務(wù)器；由于LoRa技術(shù)自身功耗低，可在電池供電的情況下長(cháng)時(shí)間工作（與電池容量和輸出頻率相關(guān)，一般設計為2-3年），所以傳感器可以安裝在校園內的任何地點(diǎn)。論文設計的數據網(wǎng)關(guān)具有部署簡(jiǎn)單、低成本、易于維護等顯著(zhù)特點(diǎn)，可在智慧校園解決方案中廣泛使用。

1 LoRa技術(shù)

1.1 簡(jiǎn)介

LoRa是LPWAN（Low Power Wide Area Net work，低功耗廣域網(wǎng)）通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司研發(fā)的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)顛覆了過(guò)去通信技術(shù)領(lǐng)域中有關(guān)遠距離與低功耗的傳統認知。設計者采用LoRa技術(shù)完成數據通信可以兼顧遠距離與低功耗的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，并由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠，其可以大大節省額外的中繼開(kāi)銷(xiāo)，使得系統部署簡(jiǎn)單，傳輸效率較高。目前，LoRa技術(shù)主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè)科學(xué)醫療）頻段運行，主要包括433、868、915MHz等。

LoRa技術(shù)將擴頻調制技術(shù)（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循環(huán)冗余碼校驗技術(shù)（Cyclic Redundancy Check，CRC）相結合，實(shí)現通信信號的調制解調。相對于頻移監控技術(shù)（Frequency Shift Keying，FSK），LoRa技術(shù)在擴大無(wú)線(xiàn)通訊鏈路覆蓋范圍的同時(shí)，又提高了系統的魯棒性。所以L(fǎng)oRa技術(shù)具有較強的抗干擾性，設計者通過(guò)調整擴頻因子，以及帶寬和編碼率，就可以對LoRa網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化。

1.2特點(diǎn)

（1）靈敏度可達-148dBm，****功率可達22dBm；

（2）傳輸距離上限可達15km，建筑物密集區可覆蓋2km左右的通信范圍，空曠地帶覆蓋范圍可達10km；

（3）接收是功耗低至10mA，睡眠電流為200nA，可使用電池供電，長(cháng)時(shí)間工作；

（4）數據傳輸速率的范圍是0.3kbps到50kbps，其可通過(guò)速率自適應技術(shù)動(dòng)態(tài)調整數據傳輸速率，以均衡功耗和傳輸距離；

（5）使用基于信號傳輸時(shí)間的測距技術(shù)進(jìn)行定位，其精度可達5米。

1.3 LoRa網(wǎng)絡(luò )構成

LoRa網(wǎng)絡(luò )構成如圖1所示，由傳感器節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器和移動(dòng)服務(wù)組成。傳感器節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)LoRa技術(shù)進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)與中心服務(wù)器之間可以采用有線(xiàn)通信方式，也可以采用4G/5G等無(wú)線(xiàn)通信方式，移動(dòng)服務(wù)通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)中心服務(wù)器。

圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò )構成

2 數據網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現

2.1 總體結構

數據網(wǎng)關(guān)硬件設計的總體結構如圖2所示，由LoRa射頻電路、微控制器、以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口電路組成。LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT，用于通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式采集遠端的傳感器數據；微控制器電路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于處理接收到的傳感器數據，并進(jìn)行分析和存儲；以太網(wǎng)電路采用WIZnet公司的W5500，W5500內部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧并自帶MAC和PHY電路，使用便捷、穩定可靠；以太網(wǎng)接口電路采用HanRun公司的HR91105A，其內部集成網(wǎng)絡(luò )變壓器，并具有很強的EMI表現。

圖2 數據網(wǎng)關(guān)硬件設計的總體結構

2.2 LoRa射頻電路

LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的LoRa收發(fā)芯片SX1268，其內部結構圖如圖3所示。其內部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa調制下，接收靈敏度上限可達-148dBm；同時(shí)集成了功率放大器（PA），其****功率上限可達+22dBm。SX1268具有2種調制方式，分別為FSK和LoRa；2種供電方式，分別為低壓差現行穩壓器（LDO）和DC-DC電壓轉換器，當其工作在DC-DC方式下，其接收低電流信號可達4.2mA，可以實(shí)現實(shí)際意義的低功耗。SX1268通過(guò)SPI接口與微控制器進(jìn)行數據交換。

圖3 SX1268內部結構圖

LoRa射頻電路如圖4所示，SX1268工作在內部DC-DC供電方式下，由于SX1268為半雙工工作方式，所以電路中采用視頻模擬開(kāi)關(guān)PE4259進(jìn)行射頻電路的切換。PE4259有2種工作方式，1是單引腳控制，其實(shí)現方法是第6腳接電源，如第4腳接高電平，則將RFC切換給RF1；如第4腳接電平，則將RFC切換給RF2。PE4259的第2種工作方式是第6腳給低電平，第4腳給高電平，則將RFC切換給RF1；第6腳給高電平，第4腳給低電平，則將RFC切換給RF2。SX1268的DIO2引腳為多功能引腳，可將其功能配置為收發(fā)控制，這樣DIO2直接與PE4259的第4腳相連即可。微控制器控制PE4259的第6腳，其功能是天線(xiàn)開(kāi)關(guān)（ATN_SW），當第6腳給高電平，打開(kāi)天線(xiàn)，此時(shí)SX1268可通過(guò)DIO2直接控制射頻收發(fā)；當第6腳給低電平時(shí)，關(guān)閉天線(xiàn)，以達到降低功耗的目的。

圖4 LoRa射頻電路

2.3 微控制器電路

微控制器電路用于接收LoRa射頻電路采集的傳感器數據，并進(jìn)行分析、存儲，并將其轉換為專(zhuān)用格式通過(guò)以太網(wǎng)電路傳遞給中心服務(wù)器。微控制器電路核心芯片選擇ST公司的超低功耗單片機STM32L053R8T6，其有7種低功耗模式，分別為：Sleep mode（睡眠模式）、Low-power run mode（低功耗運行模式）、Low-power sleep mode（低功耗睡眠模式）、Stop mode with RTC（帶有RTC的停止模式）、Stop mode without RTC（不帶RTC的停止模式）、Standby mode with RTC（帶有RTC的旁路模式）、Standby mode without RTC（不帶RTC的旁路模式），其具體功耗數值見(jiàn)表1。

表1 STM32L053R8T6低功耗模式電流

STM32L053R8T6的Stop模式分為2種，一種是啟動(dòng)內部RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）電路，另一種是不啟動(dòng)內部RTC。當芯片運行于Stop模式是，具有喚醒功能的外設，會(huì )在條件滿(mǎn)足時(shí)，啟動(dòng)HISRC時(shí)鐘，并且任何外部中斷都可以在3.5us的時(shí)間內喚醒期間，處理器可以進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行相應的處理，所以論文所設計的網(wǎng)關(guān)微控制器在低功耗時(shí)，運行于Stop模式。

微控制器電路如圖5所示，主芯片STM32L053R8T6的時(shí)鐘，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其頻率為12MHz；電阻R1下拉，用于選擇啟動(dòng)模式為內部Flash。為了增強系統的可靠性，對于復位電路除采用阻容復位外，額外焊接外部看門(mén)狗復位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過(guò)SPI接口與LoRa射頻電路和以太網(wǎng)電路通信。

2.4 以太網(wǎng)電路

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，內部集成硬件TCP/IP協(xié)議棧，10/100M自適應的MAC層和PHY層，可使電路通過(guò)單芯片擴展以太網(wǎng)硬件鏈接。W5500使用SPI接口與微控制器進(jìn)行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議，內部集成32字節buffer用于處理和解析以太網(wǎng)數據包。W5500使用Socket進(jìn)行以太網(wǎng)通訊設計，內部可同時(shí)使用8個(gè)硬件Socket進(jìn)行通訊。

以太網(wǎng)電路如圖6所示，W5500使用硬件SPI與微控制器進(jìn)行通信，由CS、SCK、MOSI和MISO4路信號構成，W5500工作于從機模式。電路使用低溫漂25M晶振為W5500提供時(shí)鐘，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進(jìn)行數字信號與模擬信號的隔離。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信號與以太網(wǎng)接口電路通信。

2.5 以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)接口電路如圖7所示，其接口采用內部自帶網(wǎng)絡(luò )變壓器的RJ46接口HR91105A，TXN/TXP差分對與HR91105A的1腳和2腳相連接，RXN/RXP差分對與HR91105A的3腳和6腳相連接，4腳和5腳為網(wǎng)絡(luò )變壓器的中心抽頭，9腳和10腳為綠色指示燈，11腳和12腳為綠色指示燈。

圖5 微控制器電路

圖6 以太網(wǎng)電路

圖7 以太網(wǎng)接口電路

3 系統軟件設計

圖8 軟件總體架構

網(wǎng)關(guān)系統的軟件設計采用層次化軟件設計方法進(jìn)行設計，其總體架構如圖8所示。先在網(wǎng)關(guān)硬件上移植Fre-eRTOS操作系統，已實(shí)現多任務(wù)調度，然后實(shí)現SX1268和W5500驅動(dòng)程序的移植，在此基礎上使用Socket通訊庫實(shí)現TCP/IP通信，使用文件系統完成傳感器數據的本地存儲。上層是應用程序設計，實(shí)現邏輯層與底層硬件的無(wú)關(guān)性。采用上述層次化軟件設計方法進(jìn)行系統軟件設計后，使得系統在軟件設計上具有如下特點(diǎn)：

（1）具有較強的可讀性：由于邏輯層與驅動(dòng)程序分層設計，使得系統的軟件代碼具有較高的可讀性。代碼可讀性提高，不僅有利于多人之間相互交流，也有利于代碼的維護，代碼可讀性強是項目可持續性發(fā)展的必要條件。

（2）具有較強的可復用性：由于邏輯層與驅動(dòng)程序分層設計，在進(jìn)行項目升級或者其它項目設計時(shí)，可以借助原有項目的程序設計代碼，使得程序的開(kāi)發(fā)效率大幅度提高。

（3）具有可多人協(xié)作性：由于邏輯層與驅動(dòng)程序分層設計，使得不同的設計人員根據自身的技術(shù)特點(diǎn)，僅專(zhuān)注于某一層進(jìn)行程序設計，這樣可以使得程序開(kāi)發(fā)可以多人協(xié)作進(jìn)行。

（4）具有可移植性：由于邏輯層與驅動(dòng)程序分層設計，則邏輯層與硬件無(wú)關(guān)，這就意味著(zhù)邏輯層可以在其它滿(mǎn)足邏輯層運行條件的硬件上運行，使得邏輯層可以跨硬件平臺移植。

4 系統特點(diǎn)

本文所設計的智慧校園數據網(wǎng)關(guān)相對于傳統的物聯(lián)網(wǎng)數據網(wǎng)關(guān)，具有如下顯著(zhù)特點(diǎn)：

（1）基于LoRa技術(shù)實(shí)現傳感器數據的采集，通信距離遠，網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)單，易于控制；

（2）采用低功耗技術(shù)實(shí)現數據網(wǎng)關(guān)，可采用電池供電方案，亦可在供電電源斷電工作較長(cháng)時(shí)間；

（3）采用W5500實(shí)現TCP/IP數據收發(fā)，實(shí)時(shí)性強；

（4）軟件系統采用層次化軟件設計方法，使得軟件具備可讀性強、可復用、可多人協(xié)作和可移植的顯著(zhù)特點(diǎn)。

5 安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

5.1通信管理機

5.1.1概述

本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò )接口，用于將一個(gè)目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后，實(shí)時(shí)上傳主站系統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時(shí)，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發(fā)給目標區域內的智能系列單元，完成對廠(chǎng)站內各開(kāi)關(guān)設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實(shí)現遙控和遙調功能，以達到遠動(dòng)輸出調度命令的目標。

5.1.2產(chǎn)品介紹

5.2數據轉換模塊

5.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠程無(wú)線(xiàn)數據采集設條，采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗，性能可靠穩定。

本產(chǎn)品提供標準RS485數據接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設備的數據采集，并且與安科瑞服務(wù)器進(jìn)行通訊。

5.2.2產(chǎn)品介紹

5.3無(wú)線(xiàn)通訊終端

5.3.1概述

AWT100數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換DTU，通訊數據轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標準RS485數據接口，可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS設備的數據采集；同時(shí)AWT100系列無(wú)線(xiàn)通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗技術(shù)，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網(wǎng)關(guān)應用于各種終端設備的數據采集與數據分析。實(shí)現設備的監測、控制、計算，為系統與設備之間建立通訊紐帶，實(shí)現雙向的數據通訊。實(shí)時(shí)監測并及時(shí)發(fā)現異常數據，同時(shí)自身根據用戶(hù)規則進(jìn)行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。

5.4.2產(chǎn)品介紹

6 結語(yǔ)

論文詳細介紹了基于LoRa技術(shù)的智慧校園數據網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現與軟件架構，其具有傳輸距離遠、超低功耗、聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強等顯著(zhù)特點(diǎn)。論文所設計的數據網(wǎng)關(guān)已在國內多所高校進(jìn)行了安裝，取得了較好的應用效果。

參考文獻：

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[4]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

王曉昭，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，工程師， 技術(shù)交流：021-69156559

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