淺談基於無線技術的智慧校園物聯網數據網關的探討

hth下载地址 陳聰

摘要：智慧校園的顯著特征在於(yu) 對校園內(nei) 各種類型傳(chuan) 感器的感知，其核心部件是智慧校園數據網關(guan) ，使用無線通信技術進行構建，具有易於(yu) 布線、易於(yu) 施工、易於(yu) 維護等優(you) 點。然後使用諸如Zigbee、WIFI、藍牙等傳(chuan) 統無線傳(chuan) 輸技術，在傳(chuan) 輸距離、功耗、效率等多方麵都表現出明顯的缺陷。論文設計並實現了一種基於(yu) LoRa技術的智慧校園物聯網數據網關(guan) ，其具有部署簡單、低成本、易於(yu) 維護等顯著特點，可在智慧校園解決(jue) 方案中廣泛使用。

關(guan) 鍵詞：LoRa；數據網關(guan) ；物聯網；智慧校園

0引言

隨著電子技術和信息技術的發展與(yu) 創新，物聯網產(chan) 業(ye) 與(yu) 物聯網緊密結合並快速發展，其已成為(wei) 推進全球經濟增長的主要支撐點。物聯網數據網關(guan) 設備，作為(wei) 解決(jue) “物聯網"的數據傳(chuan) 感和數據傳(chuan) 輸的關(guan) 鍵設備，具有廣泛的用途。物聯網數據網關(guan) 有效解決(jue) 了“物聯網"發展的數據鏈路問題，其市場需求必將隨著“物聯網"的發展而不斷大幅度增加，其將為(wei) 國民經濟的各領域的發展起到一定的推進作用。

物聯網的發展推進了新型智慧城市以及智慧校園的快速發展，其是“互聯網+"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(yu) 服務起到了關(guan) 鍵性的作用。物聯網需要將種類繁多、格式各異、不同協議的數據進行分布式采集、存儲(chu) 和處理，而物聯網數據網關(guan) 能夠對多類型的數據進行整合和處理，實現數據之間的轉換與(yu) 互聯。

智慧校園的顯著特征在於(yu) 對校園內(nei) 各種類型傳(chuan) 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。由於(yu) 這些傳(chuan) 感器在校園內(nei) 廣泛分布，為(wei) 了避免布線的困難，其與(yu) 中心服務器的傳(chuan) 輸一般采用無線方式。利用傳(chuan) 統的短距離無線傳(chuan) 輸技術（例如Zigbee、WIFI、藍牙等）實現智慧校園的感知具有不可克服的困難，主要表現為(wei) ：

（1）傳(chuan) 輸距離有限，不能將數據直接或少量中繼跳轉傳(chuan) 遞給中心服務器；

（2）采用傳(chuan) 統的自組網技術（例如Zigbee）技術進行遠距離傳(chuan) 輸，由於(yu) 傳(chuan) 輸距離遠，導致網絡內(nei) 節點數目較多，網絡管理複雜，傳(chuan) 輸效率低下；

（3）功耗普遍較高，在一些隻能采用電池供電的特定應用場合，難以實現。

為(wei) 了解決(jue) 上述問題，論文設計並實現了一種基於(yu) LoRa技術的智慧校園物聯網數據網關(guan) ，其使用LoRa傳(chuan) 輸方式與(yu) 傳(chuan) 感器進行通信，采集傳(chuan) 感器數據，並通過數據網關(guan) 傳(chuan) 遞給中心服務器。由於(yu) LoRa技術傳(chuan) 輸距離遠，在園內(nei) ，傳(chuan) 感器數據可以直接或僅(jin) 通過1-2個(ge) 中繼便可傳(chuan) 遞到中心服務器；由於(yu) LoRa技術自身功耗低，可在電池供電的情況下長時間工作（與(yu) 電池容量和輸出頻率相關(guan) ，一般設計為(wei) 2-3年），所以傳(chuan) 感器可以安裝在校園內(nei) 的任何地點。論文設計的數據網關(guan) 具有部署簡單、低成本、易於(yu) 維護等顯著特點，可在智慧校園解決(jue) 方案中廣泛使用。

1 LoRa技術

1.1 簡介

LoRa是LPWAN（Low Power Wide Area Net work，低功耗廣域網）通信技術中的一種，是美國Semtech公司研發的一種基於(yu) 擴頻技術的超遠距離無線傳(chuan) 輸技術。LoRa技術更改了過去通信技術領域中有關(guan) 遠距離與(yu) 低功耗的傳(chuan) 統認知。設計者采用LoRa技術完成數據通信可以兼顧遠距離與(yu) 低功耗的各自優(you) 點，並由於(yu) LoRa技術傳(chuan) 輸距離遠，其可以大大節省額外的中繼開銷，使得係統部署簡單，傳(chuan) 輸效率較高。目前，LoRa技術主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工業(ye) 科學醫療）頻段運行，主要包括433、868、915MHz等。

LoRa技術將擴頻調製技術（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循環冗餘(yu) 碼校驗技術（Cyclic Redundancy Check，CRC）相結合，實現通信信號的調製解調。相對於(yu) 頻移監控技術（Frequency Shift Keying，FSK），LoRa技術在擴大無線通訊鏈路覆蓋範圍的同時，又提高了係統的魯棒性。所以LoRa技術具有較強的抗幹擾性，設計者通過調整擴頻因子，以及帶寬和編碼率，就可以對LoRa網絡進行優(you) 化。

1.2特點

（1）靈敏度可達-148dBm，發射功率可達22dBm；

（2）傳(chuan) 輸距離上限可達15km，建築物密集區可覆蓋2km左右的通信範圍，空曠地帶覆蓋範圍可達10km；

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

（4）數據傳(chuan) 輸速率的範圍是0.3kbps到50kbps，其可通過速率自適應技術動態調整數據傳(chuan) 輸速率，以均衡功耗和傳(chuan) 輸距離；

（5）使用基於(yu) 信號傳(chuan) 輸時間的測距技術進行定位，其精度可達5米。

1.3 LoRa網絡構成

LoRa網絡構成如圖1所示，由傳(chuan) 感器節點、網關(guan) 、中心服務器和移動服務組成。傳(chuan) 感器節點與(yu) 網關(guan) 之間通過LoRa技術進行通信，網關(guan) 與(yu) 中心服務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，移動服務通過Internet訪問中心服務器。

圖1 LoRa網絡構成

2 數據網關(guan) 的硬件實現

2.1 總體(ti) 結構

數據網關(guan) 硬件設計的總體(ti) 結構如圖2所示，由LoRa射頻電路、微控製器、以太網控製器和以太網接口電路組成。LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT，用於(yu) 通過無線方式采集遠端的傳(chuan) 感器數據；微控製器電路采用ST公司的低功耗微控製器STM32L053R8T6用於(yu) 處理接收到的傳(chuan) 感器數據，並進行分析和存儲(chu) ；以太網電路采用WIZnet公司的W5500，W5500內(nei) 部集成全硬件TCP/IP協議棧並自帶MAC和PHY電路，使用便捷、穩定可靠；以太網接口電路采用HanRun公司的HR91105A，其內(nei) 部集成網絡變壓器，並具有很強的EMI表現。

圖2 數據網關(guan) 硬件設計的總體(ti) 結構

2.2 LoRa射頻電路

LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的LoRa收發芯片SX1268，其內(nei) 部結構圖如圖3所示。其內(nei) 部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa調製下，接收靈敏度上限可達-148dBm；同時集成了功率放大器（PA），其發射功率上限可達+22dBm。SX1268具有2種調製方式，分別為(wei) FSK和LoRa；2種供電方式，分別為(wei) 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，可以實現實際意義(yi) 的低功耗。SX1268通過SPI接口與(yu) 微控製器進行數據交換。

圖3 SX1268內(nei) 部結構圖

LoRa射頻電路如圖4所示，SX1268工作在內(nei) 部DC-DC供電方式下，由於(yu) SX1268為(wei) 半雙工工作方式，所以電路中采用視頻模擬開關(guan) PE4259進行射頻電路的切換。PE4259有2種工作方式，1是單引腳控製，其實現方法是第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(wei) 多功能引腳，可將其功能配置為(wei) 收發控製，這樣DIO2直接與(yu) PE4259的第4腳相連即可。微控製器控製PE4259的第6腳，其功能是天線開關(guan) （ATN_SW），當第6腳給高電平，打開天線，此時SX1268可通過DIO2直接控製射頻收發；當第6腳給低電平時，關(guan) 閉天線，以達到降低功耗的目的。

圖4 LoRa射頻電路

2.3 微控製器電路

微控製器電路用於(yu) 接收LoRa射頻電路采集的傳(chuan) 感器數據，並進行分析、存儲(chu) ，並將其轉換為(wei) 專(zhuan) 用格式通過以太網電路傳(chuan) 遞給中心服務器。微控製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(wei) ：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(ti) 功耗數值見表1。

表1 STM32L053R8T6低功耗模式電流

STM32L053R8T6的Stop模式分為(wei) 2種，一種是啟動內(nei) 部RTC（實時時鍾）電路，另一種是不啟動內(nei) 部RTC。當芯片運行於(yu) Stop模式是，具有喚醒功能的外設，會(hui) 在條件滿足時，啟動HISRC時鍾，並且任何外部中斷都可以在3.5us的時間內(nei) 喚醒期間，處理器可以進入中斷處理程序，進行相應的處理，所以論文所設計的網關(guan) 微控製器在低功耗時，運行於(yu) Stop模式。

微控製器電路如圖5所示，主芯片STM32L053R8T6的時鍾，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其頻率為(wei) 12MHz；電阻R1下拉，用於(yu) 選擇啟動模式為(wei) 內(nei) 部Flash。為(wei) 了增強係統的可靠性，對於(yu) 複位電路除采用阻容複位外，額外焊接外部看門狗複位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過SPI接口與(yu) LoRa射頻電路和以太網電路通信。

2.4 以太網電路

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網控製器，內(nei) 部集成硬件TCP/IP協議棧，10/100M自適應的MAC層和PHY層，可使電路通過單芯片擴展以太網硬件鏈接。W5500使用SPI接口與(yu) 微控製器進行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協議，內(nei) 部集成32字節buffer用於(yu) 處理和解析以太網數據包。W5500使用Socket進行以太網通訊設計，內(nei) 部可同時使用8個(ge) 硬件Socket進行通訊。

以太網電路如圖6所示，W5500使用硬件SPI與(yu) 微控製器進行通信，由CS、SCK、MOSI和MISO4路信號構成，W5500工作於(yu) 從(cong) 機模式。電路使用低溫漂25M晶振為(wei) W5500提供時鍾，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進行數字信號與(yu) 模擬信號的隔離。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信號與(yu) 以太網接口電路通信。

2.5 以太網接口電路

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

圖5 微控製器電路

圖6 以太網電路

圖7 以太網接口電路

3 係統軟件設計

圖8 軟件總體(ti) 架構

網關(guan) 係統的軟件設計采用層次化軟件設計方法進行設計，其總體(ti) 架構如圖8所示。先在網關(guan) 硬件上移植Fre-eRTOS操作係統，已實現多任務調度，然後實現SX1268和W5500驅動程序的移植，在此基礎上使用Socket通訊庫實現TCP/IP通信，使用文件係統完成傳(chuan) 感器數據的本地存儲(chu) 。上層是應用程序設計，實現邏輯層與(yu) 底層硬件的無關(guan) 性。采用上述層次化軟件設計方法進行係統軟件設計後，使得係統在軟件設計上具有如下特點：

（1）具有較強的可讀性：由於(yu) 邏輯層與(yu) 驅動程序分層設計，使得係統的軟件代碼具有較高的可讀性。代碼可讀性提高，不僅(jin) 有利於(yu) 多人之間相互交流，也有利於(yu) 代碼的維護，代碼可讀性強是項目可持續性發展的必要條件。

（2）具有較強的可複用性：由於(yu) 邏輯層與(yu) 驅動程序分層設計，在進行項目升級或者其它項目設計時，可以借助原有項目的程序設計代碼，使得程序的開發效率大幅度提高。

（3）具有可多人協作性：由於(yu) 邏輯層與(yu) 驅動程序分層設計，使得不同的設計人員根據自身的技術特點，僅(jin) 專(zhuan) 注於(yu) 某一層進行程序設計，這樣可以使得程序開發可以多人協作進行。

（4）具有可移植性：由於(yu) 邏輯層與(yu) 驅動程序分層設計，則邏輯層與(yu) 硬件無關(guan) ，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台移植。

4 係統特點

本文所設計的智慧校園數據網關(guan) 相對於(yu) 傳(chuan) 統的物聯網數據網關(guan) ，具有如下顯著特點：

（1）基於(yu) LoRa技術實現傳(chuan) 感器數據的采集，通信距離遠，網絡簡單，易於(yu) 控製；

（2）采用低功耗技術實現數據網關(guan) ，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TCP/IP數據收發，實時性強；

（4）軟件係統采用層次化軟件設計方法，使得軟件具備可讀性強、可複用、可多人協作和可移植的顯著特點。

5 hth下载地址網關(guan) 介紹

5.1通信管理機

5.1.1概述

本係列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平台，具有多個(ge) 下行通信接口及一個(ge) 或者多個(ge) 上行網絡接口，用於(yu) 將一個(ge) 目標區域內(nei) 所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總後，實時上傳(chuan) 主站係統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時，本係列智能通信管理機支持接收上級主站係統下達的命令，並轉發給目標區域內(nei) 的智能係列單元，完成對廠站內(nei) 各開關(guan) 設備的分、合閘遠方控製或裝置的參數整定，實現遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調度命令的目標。

5.1.2產(chan) 品介紹

5.2數據轉換模塊

5.2.1概述

AF-GSM是hth下载地址電氣推出的新型的4G遠程無線數據采集設條，采用嵌入式設計。內(nei) 嵌TCP/IP協議棧，同時采用了功能強大的微處理芯片，配合內(nei) 置看門狗，性能可靠穩定。

本產(chan) 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(jin) 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，並且與(yu) hth下载地址服務器進行通訊。

5.2.2產(chan) 品介紹

5.3無線通訊終端

5.3.1概述

AWT100數據轉換模塊是hth下载地址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(yi) 表、RTU、PLC、工控機等設備，僅(jin) 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AWT100係列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內(nei) 置看門狗技術，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網關(guan) 應用於(yu) 各種終端設備的數據采集與(yu) 數據分析。實現設備的監測、控製、計算，為(wei) 係統與(yu) 設備之間建立通訊紐帶，實現雙向的數據通訊。實時監測並及時發現異常數據，同時自身根據用戶規則進行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。

5.4.2產(chan) 品介紹

6 結語

論文詳細介紹了基於(yu) LoRa技術的智慧校園數據網關(guan) 的硬件實現與(yu) 軟件架構，其具有傳(chuan) 輸距離遠、超低功耗、聯網簡單、實時性強等顯著特點。論文所設計的數據網關(guan) 已在國內(nei) 多所高校進行了安裝，取得了較好的應用效果。

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