淺談基于無線技術的智慧校園物聯網數據網關的探討

摘要：智慧校園的顯著特征在于對校園內各種類型傳感器的感知，其核心部件是智慧校園數據網關，使用無線通信技術進行構建，具有易于布線、易于施工、易于維護等優點。然后使用諸如Zigbee、WIFI、藍牙等傳統無線傳輸技術，在傳輸距離、功耗、效率等多方面都表現出明顯的缺陷。論文設計并實現了一種基于LoRa技術的智慧校園物聯網數據網關，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。

關鍵詞：LoRa；數據網關；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創新，物聯網產業與物聯網緊密結合并快速發展，其已成為推進全球經濟增長的主要支撐點。物聯網數據網關設備，作為解決“物聯網"的數據傳感和數據傳輸的關鍵設備，具有廣泛的用途。物聯網數據網關有效解決了“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、信息化管理與服務起到了關鍵性的作用。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、存儲和處理，而物聯網數據網關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互聯。

智慧校園的顯著特征在于對校園內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廣泛分布，為了避免布線的困難，其與中心服務器的傳輸一般采用無線方式。利用傳統的短距離無線傳輸技術（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：

（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器；

（2）采用傳統的自組網技術（例如Zigbee）技術進行遠距離傳輸，由于傳輸距離遠，導致網絡內節點數目較多，網絡管理復雜，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合，難以實現。

為了解決上述問題，論文設計并實現了一種基于LoRa技術的智慧校園物聯網數據網關，其使用LoRa傳輸方式與傳感器進行通信，采集傳感器數據，并通過數據網關傳遞給中心服務器。由于LoRa技術傳輸距離遠，在園內，傳感器數據可以直接或僅通過1-2個中繼便可傳遞到中心服務器；由于LoRa技術自身功耗低，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，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。論文設計的數據網關具有部署簡單、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

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公司研發的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。LoRa技術翻覆了過去通信技術領域中有關遠距離與低功耗的傳統認知。設計者采用LoRa技術完成數據通信可以兼顧遠距離與低功耗的各自優點，并由于LoRa技術傳輸距離遠，其可以大大節省額外的中繼開銷，使得系統部署簡單，傳輸效率較高。目前，LoRa技術主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工業科學醫療）頻段運行，主要包括433、868、915MHz等。

LoRa技術將擴頻調制技術（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循環冗余碼校驗技術（Cyclic Redundancy Check，CRC）相結合，實現通信信號的調制解調。相對于頻移監控技術（Frequency Shift Keying，FSK），LoRa技術在擴大無線通訊鏈路覆蓋范圍的同時，又提高了系統的魯棒性。所以LoRa技術具有較強的抗干擾性，設計者通過調整擴頻因子，以及帶寬和編碼率，就可以對LoRa網絡進行優化。

1.2特點

（1）靈敏度可達-148dBm，發射功率可達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，長時間工作；

（4）數據傳輸速率的范圍是0.3kbps到50kbps，其可通過速率自適應技術動態調整數據傳輸速率，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，由傳感器節點、網關、中心服務器和移動服務組成。傳感器節點與網關之間通過LoRa技術進行通信，網關與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 數據網關的硬件實現

2.1 總體結構

數據網關硬件設計的總體結構如圖2所示，由LoRa射頻電路、微控制器、以太網控制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，用于通過無線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，并進行分析和存儲；以太網電路采用WIZnet公司的W5500，W5500內部集成全硬件TCP/IP協議棧并自帶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，其內部集成網絡變壓器，并具有很強的EMI表現。

圖2 數據網關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，可以實現實際意義的低功耗。SX1268通過SPI接口與微控制器進行數據交換。

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關PE4259進行射頻電路的切換。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（ATN_SW），當第6腳給高電平，打開天線，此時SX1268可通過DIO2直接控制射頻收發；當第6腳給低電平時，關閉天線，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，并進行分析、存儲，并將其轉換為專用格式通過以太網電路傳遞給中心服務器。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，一種是啟動內部RTC（實時時鐘）電路，另一種是不啟動內部RTC。當芯片運行于Stop模式是，具有喚醒功能的外設，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，額外焊接外部看門狗復位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過SPI接口與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嵌入式以太網控制器，內部集成硬件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接口與微控制器進行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協議，內部集成32字節buffer用于處理和解析以太網數據包。W5500使用Socket進行以太網通訊設計，內部可同時使用8個硬件Socket進行通訊。

以太網電路如圖6所示，W5500使用硬件SPI與微控制器進行通信，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提供時鐘，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進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，其接口采用內部自帶網絡變壓器的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腳為網絡變壓器的中心抽頭，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 以太網電路

圖7 以太網接口電路

3 系統軟件設計

圖8 軟件總體架構

網關系統的軟件設計采用層次化軟件設計方法進行設計，其總體架構如圖8所示。先在網關硬件上移植Fre-eRTOS操作系統，已實現多任務調度，然后實現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，使用文件系統完成傳感器數據的本地存儲。上層是應用程序設計，實現邏輯層與底層硬件的無關性。采用上述層次化軟件設計方法進行系統軟件設計后，使得系統在軟件設計上具有如下特點：

（1）具有較強的可讀性：由于邏輯層與驅動程序分層設計，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展的必要條件。

（2）具有較強的可復用性：由于邏輯層與驅動程序分層設計，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：由于邏輯層與驅動程序分層設計，使得不同的設計人員根據自身的技術特點，僅專注于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：由于邏輯層與驅動程序分層設計，則邏輯層與硬件無關，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 系統特點

本文所設計的智慧校園數據網關相對于傳統的物聯網數據網關，具有如下顯著特點：

（1）基于LoRa技術實現傳感器數據的采集，通信距離遠，網絡簡單，易于控制；

（2）采用低功耗技術實現數據網關，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、可多人協作和可移植的顯著特點。

5 安科瑞網關介紹

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絡接口，用于將一個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，實時上傳主站系統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發給目標區域內的智能系列單元，完成對廠站內各開關設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，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遠程無線數據采集設條，采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協議棧，同時采用了功能*的微處理芯片，配合內置看門狗，性能可靠穩定。

本產品提供標準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，并且與安科瑞服務器進行通訊。

5.2.2產品介紹

5.3無線通訊終端

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AWT100系列無線通訊終端采用了功能*的微處理芯片，配合內置看門狗技術，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網關應用于各種終端設備的數據采集與數據分析。實現設備的監測、控制、計算，為系統與設備之間建立通訊紐帶，實現雙向的數據通訊。實時監測并及時發現異常數據，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產品介紹

6 結語

論文詳細介紹了基于LoRa技術的智慧校園數據網關的硬件實現與軟件架構，其具有傳輸距離遠、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已在國內多所高校進行了安裝，取得了較好的應用效果。

參考文獻：

[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.計算機物聯網技術應用及發展研究[J].電子技術與軟件工程,2016(22):10.

[3]智能電網用戶端電力監控/電能管理/電氣安全（產品報價手冊）.2023.01版

[4]企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.