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安科瑞 鮑靜君
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(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:
?。?)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)的一種基于擴頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)改變了過去通信技術(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)具有較強的抗干擾性,,設(shè)計者通過調(diào)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
?。?)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,;
?。?)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,;
?。?)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,;
?。?)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,,代碼可讀性強是項目可持續(xù)性發(fā)展的必要條件。
?。?)具有較強的可復(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,。
?。?)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:
?。?)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;
?。?)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,;
?。?)采用W5500實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)收發(fā),實時性強,;
?。?)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,、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
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。
參考文獻(xiàn):
[1]NIE Zhou.The impact of communication technologies on social structure-take the example of smart city[J].Journal of Shanxi University of Finance and Economics,2016(s2):137-144.
[2]張皓.計算機物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(22):10.
[3]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全(產(chǎn)品報價手冊).2023.01版
[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.
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