淺談基于無線技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的探討

安科瑞 陳聰

摘要：智慧校園的顯著特征在于對校園內(nèi)各種類型傳感器的感知，其核心部件是智慧校園數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，使用無線通信技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，具有易于布線、易于施工、易于維護(hù)等優(yōu)點。然后使用諸如Zigbee、WIFI、藍(lán)牙等傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)，在傳輸距離、功耗、效率等多方面都表現(xiàn)出明顯的缺陷。論文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于LoRa技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，其具有部署簡單、低成本、易于維護(hù)等顯著特點，可在智慧校園解決方案中廣泛使用。

關(guān)鍵詞：LoRa；數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧校園

0引言

隨著電子技術(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(jié)合并快速發(fā)展，其已成為推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)增長的主要支撐點。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，作為解決“物聯(lián)網(wǎng)"的數(shù)據(jù)傳感和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，具有廣泛的用途。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)有效解決了“物聯(lián)網(wǎng)"發(fā)展的數(shù)據(jù)鏈路問題，其市場需求必將隨著“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(jì)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(kuò)展，其對構(gòu)建城市以及校園的基礎(chǔ)設(shè)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)需要將種類繁多、格式各異、不同協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式采集、存儲和處理，而物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Χ囝愋偷臄?shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換與互聯(lián)。

智慧校園的顯著特征在于對校園內(nèi)各種類型傳感器的感知，例如溫度、濕度、PM2.5、煙霧、門禁、漏水、門窗、電壓、電流、功率、用電量、用水量等。由于這些傳感器在校園內(nèi)廣泛分布，為了避免布線的困難，其與中心服務(wù)器的傳輸一般采用無線方式。利用傳統(tǒng)的短距離無線傳輸技術(shù)（例如Zigbee、WIFI、藍(lán)牙等）實現(xiàn)智慧校園的感知具有不可克服的困難，主要表現(xiàn)為：

（1）傳輸距離有限，不能將數(shù)據(jù)直接或少量中繼跳轉(zhuǎn)傳遞給中心服務(wù)器；

（2）采用傳統(tǒng)的自組網(wǎng)技術(shù)（例如Zigbee）技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，由于傳輸距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)目較多，網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)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(yīng)用場合，難以實現(xiàn)。

為了解決上述問題，論文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于LoRa技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)傳遞給中心服務(wù)器。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，在園內(nèi)，傳感器數(shù)據(jù)可以直接或僅通過1-2個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時間工作（與電池容量和輸出頻率相關(guān)，一般設(shè)計為2-3年），所以傳感器可以安裝在校園內(nèi)的任何地點。論文設(shè)計的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有部署簡單、低成本、易于維護(hù)等顯著特點，可在智慧校園解決方案中廣泛使用。

1 LoRa技術(shù)

1.1 簡介

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(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)更改了過去通信技術(shù)領(lǐng)域中有關(guān)遠(yuǎn)距離與低功耗的傳統(tǒng)認(rèn)知。設(shè)計者采用LoRa技術(shù)完成數(shù)據(jù)通信可以兼顧遠(yuǎn)距離與低功耗的各自優(yōu)點，并由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，其可以大大節(jié)省額外的中繼開銷，使得系統(tǒng)部署簡單，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(yī)療）頻段運行，主要包括433、868、915MHz等。

LoRa技術(shù)將擴(kuò)頻調(diào)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(jié)合，實現(xiàn)通信信號的調(diào)制解調(diào)。相對于頻移監(jiān)控技術(shù)（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK），LoRa技術(shù)在擴(kuò)大無線通訊鏈路覆蓋范圍的同時，又提高了系統(tǒng)的魯棒性。所以LoRa技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾性，設(shè)計者通過調(diào)整擴(kuò)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

（1）靈敏度可達(dá)-148dBm，發(fā)射功率可達(dá)22dBm；

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

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

（4）數(shù)據(jù)傳輸速率的范圍是0.3kbps到50kbps，其可通過速率自適應(yīng)技術(shù)動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，以均衡功耗和傳輸距離；

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

1.3 LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示，由傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器和移動服務(wù)組成。傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間通過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通信方式，也可以采用4G/5G等無線通信方式，移動服務(wù)通過Internet訪問中心服務(wù)器。

圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)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，用于通過無線方式采集遠(yuǎn)端的傳感器數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和存儲；以太網(wǎng)電路采用WIZnet公司的W5500，W5500內(nèi)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(wěn)定可靠；以太網(wǎng)接口電路采用HanRun公司的HR91105A，其內(nèi)部集成網(wǎng)絡(luò)變壓器，并具有很強(qiáng)的EMI表現(xiàn)。

圖2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)

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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其內(nèi)部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa調(diào)制下，接收靈敏度上限可達(dá)-148dBm；同時集成了功率放大器（PA），其發(fā)射功率上限可達(dá)+22dBm。SX1268具有2種調(diào)制方式，分別為FSK和LoRa；2種供電方式，分別為低壓差現(xiàn)行穩(wěn)壓器（LDO）和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)其工作在DC-DC方式下，其接收低電流信號可達(dá)4.2mA，可以實現(xiàn)實際意義的低功耗。SX1268通過SPI接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3 SX1268內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

LoRa射頻電路如圖4所示，SX1268工作在內(nèi)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，其實現(xiàn)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，其功能是天線開關(guān)（ATN_SW），當(dāng)?shù)?腳給高電平，打開天線，此時SX1268可通過DIO2直接控制射頻收發(fā)；當(dāng)?shù)?腳給低電平時，關(guān)閉天線，以達(dá)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(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、存儲，并將其轉(zhuǎn)換為專用格式通過以太網(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(jī)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(shù)值見表1。

表1 STM32L053R8T6低功耗模式電流

STM32L053R8T6的Stop模式分為2種，一種是啟動內(nèi)部RTC（實時時鐘）電路，另一種是不啟動內(nèi)部RTC。當(dāng)芯片運行于Stop模式是，具有喚醒功能的外設(shè)，會在條件滿足時，啟動HISRC時鐘，并且任何外部中斷都可以在3.5us的時間內(nèi)喚醒期間，處理器可以進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行相應(yīng)的處理，所以論文所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)微控制器在低功耗時，運行于Stop模式。

微控制器電路如圖5所示，主芯片STM32L053R8T6的時鐘，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其頻率為12MHz；電阻R1下拉，用于選擇啟動模式為內(nèi)部Flash。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，對于復(fù)位電路除采用阻容復(fù)位外，額外焊接外部看門狗復(fù)位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過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(nèi)部集成硬件TCP/IP協(xié)議棧，10/100M自適應(yīng)的MAC層和PHY層，可使電路通過單芯片擴(kuò)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(nèi)部集成32字節(jié)buffer用于處理和解析以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。W5500使用Socket進(jìn)行以太網(wǎng)通訊設(shè)計，內(nèi)部可同時使用8個硬件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(gòu)成，W5500工作于從機(jī)模式。電路使用低溫漂25M晶振為W5500提供時鐘，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進(jìn)行數(shù)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(nèi)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(tǒng)軟件設(shè)計

圖8 軟件總體架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用層次化軟件設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，其總體架構(gòu)如圖8所示。先在網(wǎng)關(guān)硬件上移植Fre-eRTOS操作系統(tǒng)，已實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，然后實現(xiàn)SX1268和W5500驅(qū)動程序的移植，在此基礎(chǔ)上使用Socket通訊庫實現(xiàn)TCP/IP通信，使用文件系統(tǒng)完成傳感器數(shù)據(jù)的本地存儲。上層是應(yīng)用程序設(shè)計，實現(xiàn)邏輯層與底層硬件的無關(guān)性。采用上述層次化軟件設(shè)計方法進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計后，使得系統(tǒng)在軟件設(shè)計上具有如下特點：

（1）具有較強(qiáng)的可讀性：由于邏輯層與驅(qū)動程序分層設(shè)計，使得系統(tǒng)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(hù)，代碼可讀性強(qiáng)是項目可持續(xù)性發(fā)展的必要條件。

（2）具有較強(qiáng)的可復(fù)用性：由于邏輯層與驅(qū)動程序分層設(shè)計，在進(jìn)行項目升級或者其它項目設(shè)計時，可以借助原有項目的程序設(shè)計代碼，使得程序的開發(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(qū)動程序分層設(shè)計，使得不同的設(shè)計人員根據(jù)自身的技術(shù)特點，僅專注于某一層進(jìn)行程序設(shè)計，這樣可以使得程序開發(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(qū)動程序分層設(shè)計，則邏輯層與硬件無關(guān)，這就意味著邏輯層可以在其它滿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(tǒng)特點

本文所設(shè)計的智慧校園數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)相對于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，具有如下顯著特點：

（1）基于LoRa技術(shù)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，通信距離遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)簡單，易于控制；

（2）采用低功耗技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)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時間；

（3）采用W5500實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)收發(fā)，實時性強(qiáng)；

（4）軟件系統(tǒng)采用層次化軟件設(shè)計方法，使得軟件具備可讀性強(qiáng)、可復(fù)用、可多人協(xié)作和可移植的顯著特點。

5 安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

5.1通信管理機(jī)

5.1.1概述

本系列智能通信管理機(jī)是一款采用嵌入式硬件計算機(jī)平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡(luò)接口，用于將一個目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的智能監(jiān)控/保護(hù)裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后，實時上傳主站系統(tǒng)，完成遙信、遙測等能源數(shù)據(jù)采集功能。

同時，本系列智能通信管理機(jī)支持接收上級主站系統(tǒng)下達(dá)的命令，并轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的智能系列單元，完成對廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分、合閘遠(yuǎn)方控制或裝置的參數(shù)整定，實現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能，以達(dá)到遠(yuǎn)動輸出調(diào)度命令的目標(biāo)。

5.1.2產(chǎn)品介紹

5.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

5.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集設(shè)條，采用嵌入式設(shè)計。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片，配合內(nèi)置看門狗，性能可靠穩(wěn)定。

本產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)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無線通訊終端

5.3.1概述

AWT100數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU，通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口，可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；同時AWT100系列無線通訊終端采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片，配合內(nèi)置看門狗技術(shù)，性能可靠穩(wěn)定。

AWT200數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于各種終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測、控制、計算，為系統(tǒng)與設(shè)備之間建立通訊紐帶，實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。實時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，同時自身根據(jù)用戶規(guī)則進(jìn)行邏輯判斷，大大的節(jié)省了人力和通訊成本。

5.4.2產(chǎn)品介紹

6 結(jié)語

論文詳細(xì)介紹了基于LoRa技術(shù)的智慧校園數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)與軟件架構(gòu)，其具有傳輸距離遠(yuǎn)、超低功耗、聯(lián)網(wǎng)簡單、實時性強(qiáng)等顯著特點。論文所設(shè)計的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)已在國內(nèi)多所高校進(jìn)行了安裝，取得了較好的應(yīng)用效果。

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