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浅谈基于无线技术的智慧校园物联网数据网关的探讨

2023-11-03 [319]

安科瑞 鲍静君

  摘要:智慧校园的显著特征在于对校园内各种类型传感器的感知,其核心部件是智慧校园数据网关,使用无线通信技术进行构建,具有易于布线、易于施工、易于维护等优点。然后使用诸如Zigbee、WIFI、蓝牙等传统无线传输技术,在传输距离、功耗、效率等多方面都表现出明显的缺陷。论文设计并实现了一种基于LoRa技术的智慧校园物联网数据网关,其具有部署简单、低成本、易于维护等显著特点,可在智慧校园解决方案中广泛使用。

  关键词:LoRa;数据网关;物联网;智慧校园

  0引言

  随着电子技术和信息技术的发展与创新,物联网产业与物联网紧密结合并快速发展,其已成为推进全球经济增长的主要支撑点。物联网数据网关设备,作为解决“物联网"的数据传感和数据传输的关键设备,具有广泛的用途。物联网数据网关有效解决了“物联网"发展的数据链路问题,其市场需求必将随着“物联网"的发展而不断大幅度增加,其将为国民经济的各领域的发展起到一定的推进作用。

  物联网的发展推进了新型智慧城市以及智慧校园的快速发展,其是“互联网+"的重要功能扩展,其对构建城市以及校园的基础设施、信息化管理与服务起到了关键性的作用。物联网需要将种类繁多、格式各异、不同协议的数据进行分布式采集、存储和处理,而物联网数据网关能够对多类型的数据进行整合和处理,实现数据之间的转换与互联。

  智慧校园的显著特征在于对校园内各种类型传感器的感知,例如温度、湿度、PM2.5、烟雾、门禁、漏水、门窗、电压、电流、功率、用电量、用水量等。由于这些传感器在校园内广泛分布,为了避免布线的困难,其与中心服务器的传输一般采用无线方式。利用传统的短距离无线传输技术(例如Zigbee、WIFI、蓝牙等)实现智慧校园的感知具有不可克服的困难,主要表现为:

  (1)传输距离有限,不能将数据直接或少量中继跳转传递给中心服务器;

  (2)采用传统的自组网技术(例如Zigbee)技术进行远距离传输,由于传输距离远,导致网络内节点数目较多,网络管理复杂,传输效率低下;

  (3)功耗普遍较高,在一些只能采用电池供电的特定应用场合,难以实现。

  为了解决上述问题,论文设计并实现了一种基于LoRa技术的智慧校园物联网数据网关,其使用LoRa传输方式与传感器进行通信,采集传感器数据,并通过数据网关传递给中心服务器。由于LoRa技术传输距离远,在园内,传感器数据可以直接或仅通过1-2个中继便可传递到中心服务器;由于LoRa技术自身功耗低,可在电池供电的情况下长时间工作(与电池容量和输出频率相关,一般设计为2-3年),所以传感器可以安装在校园内的任何地点。论文设计的数据网关具有部署简单、低成本、易于维护等显著特点,可在智慧校园解决方案中广泛使用。

  1 LoRa技术

  1.1 简介

  LoRa是LPWAN(Low Power Wide Area Net work,低功耗广域网)通信技术中的一种,是美国Semtech公司研发的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。LoRa技术改变了过去通信技术领域中有关远距离与低功耗的传统认知。设计者采用LoRa技术完成数据通信可以兼顾远距离与低功耗的各自优点,并由于LoRa技术传输距离远,其可以大大节省额外的中继开销,使得系统部署简单,传输效率较高。目前,LoRa技术主要在ISM(Industrial Scientific Medical,工业科学医疗)频段运行,主要包括433、868、915MHz等。

  LoRa技术将扩频调制技术(Spread Spectrum Modulation,SSFM)和循环冗余码校验技术(Cyclic Redundancy Check,CRC)相结合,实现通信信号的调制解调。相对于频移监控技术(Frequency Shift Keying,FSK),LoRa技术在扩大无线通讯链路覆盖范围的同时,又提高了系统的鲁棒性。所以LoRa技术具有较强的抗干扰性,设计者通过调整扩频因子,以及带宽和编码率,就可以对LoRa网络进行优化。

  1.2特点

  (1)灵敏度可达-148dBm,发射功率可达22dBm;

  (2)传输距离上限可达15km,建筑物密集区可覆盖2km左右的通信范围,空旷地带覆盖范围可达10km;

  (3)接收是功耗低至10mA,睡眠电流为200nA,可使用电池供电,长时间工作;

  (4)数据传输速率的范围是0.3kbps到50kbps,其可通过速率自适应技术动态调整数据传输速率,以均衡功耗和传输距离;

  (5)使用基于信号传输时间的测距技术进行定位,其精度可达5米。

  1.3 LoRa网络构成

  LoRa网络构成如图1所示,由传感器节点、网关、中心服务器和移动服务组成。传感器节点与网关之间通过LoRa技术进行通信,网关与中心服务器之间可以采用有线通信方式,也可以采用4G/5G等无线通信方式,移动服务通过Internet访问中心服务器。

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图1 LoRa网络构成

  2 数据网关的硬件实现

  2.1 总体结构

  数据网关硬件设计的总体结构如图2所示,由LoRa射频电路、微控制器、以太网控制器和以太网接口电路组成。LoRa射频电路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT,用于通过无线方式采集远端的传感器数据;微控制器电路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于处理接收到的传感器数据,并进行分析和存储;以太网电路采用WIZnet公司的W5500,W5500内部集成全硬件TCP/IP协议栈并自带MAC和PHY电路,使用便捷、稳定可靠;以太网接口电路采用HanRun公司的HR91105A,其内部集成网络变压器,并具有很强的EMI表现。

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图2 数据网关硬件设计的总体结构

  2.2 LoRa射频电路

  LoRa射频电路主芯片采用Semtech公司的LoRa收发芯片SX1268,其内部结构图如图3所示。其内部集成了低噪放大器(LNA),在LoRa调制下,接收灵敏度上限可达-148dBm;同时集成了功率放大器(PA),其发射功率上限可达+22dBm。SX1268具有2种调制方式,分别为FSK和LoRa;2种供电方式,分别为低压差现行稳压器(LDO)和DC-DC电压转换器,当其工作在DC-DC方式下,其接收低电流信号可达4.2mA,可以实现实际意义的低功耗。SX1268通过SPI接口与微控制器进行数据交换。

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图3 SX1268内部结构图

  LoRa射频电路如图4所示,SX1268工作在内部DC-DC供电方式下,由于SX1268为半双工工作方式,所以电路中采用视频模拟开关PE4259进行射频电路的切换。PE4259有2种工作方式,1是单引脚控制,其实现方法是第6脚接电源,如第4脚接高电平,则将RFC切换给RF1;如第4脚接电平,则将RFC切换给RF2。PE4259的第2种工作方式是第6脚给低电平,第4脚给高电平,则将RFC切换给RF1;第6脚给高电平,第4脚给低电平,则将RFC切换给RF2。SX1268的DIO2引脚为多功能引脚,可将其功能配置为收发控制,这样DIO2直接与PE4259的第4脚相连即可。微控制器控制PE4259的第6脚,其功能是天线开关(ATN_SW),当第6脚给高电平,打开天线,此时SX1268可通过DIO2直接控制射频收发;当第6脚给低电平时,关闭天线,以达到降低功耗的目的。

图4 LoRa射频电路

  2.3 微控制器电路

  微控制器电路用于接收LoRa射频电路采集的传感器数据,并进行分析、存储,并将其转换为专用格式通过以太网电路传递给中心服务器。微控制器电路核心芯片选择ST公司的超低功耗单片机STM32L053R8T6,其有7种低功耗模式,分别为:Sleep mode(睡眠模式)、Low-power run mode(低功耗运行模式)、Low-power sleep mode(低功耗睡眠模式)、Stop mode with RTC(带有RTC的停止模式)、Stop mode without RTC(不带RTC的停止模式)、Standby mode with RTC(带有RTC的旁路模式)、Standby mode without RTC(不带RTC的旁路模式),其具体功耗数值见表1。

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表1 STM32L053R8T6低功耗模式电流

  STM32L053R8T6的Stop模式分为2种,一种是启动内部RTC(实时时钟)电路,另一种是不启动内部RTC。当芯片运行于Stop模式是,具有唤醒功能的外设,会在条件满足时,启动HISRC时钟,并且任何外部中断都可以在3.5us的时间内唤醒期间,处理器可以进入中断处理程序,进行相应的处理,所以论文所设计的网关微控制器在低功耗时,运行于Stop模式。

  微控制器电路如图5所示,主芯片STM32L053R8T6的时钟,由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供,其频率为12MHz;电阻R1下拉,用于选择启动模式为内部Flash。为了增强系统的可靠性,对于复位电路除采用阻容复位外,额外焊接外部看门狗复位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通过SPI接口与LoRa射频电路和以太网电路通信。

  2.4 以太网电路

  W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器,内部集成硬件TCP/IP协议栈,10/100M自适应的MAC层和PHY层,可使电路通过单芯片扩展以太网硬件链接。W5500使用SPI接口与微控制器进行通信,支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE协议,内部集成32字节buffer用于处理和解析以太网数据包。W5500使用Socket进行以太网通讯设计,内部可同时使用8个硬件Socket进行通讯。

  以太网电路如图6所示,W5500使用硬件SPI与微控制器进行通信,由CS、SCK、MOSI和MISO4路信号构成,W5500工作于从机模式。电路使用低温漂25M晶振为W5500提供时钟,使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T进行数字信号与模拟信号的隔离。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信号与以太网接口电路通信。

  2.5 以太网接口电路

  以太网接口电路如图7所示,其接口采用内部自带网络变压器的RJ46接口HR91105A,TXN/TXP差分对与HR91105A的1脚和2脚相连接,RXN/RXP差分对与HR91105A的3脚和6脚相连接,4脚和5脚为网络变压器的中心抽头,9脚和10脚为绿色指示灯,11脚和12脚为绿色指示灯。

图5 微控制器电路

图6 以太网电路

图7 以太网接口电路

  3 系统软件设计

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图8 软件总体架构

  网关系统的软件设计采用层次化软件设计方法进行设计,其总体架构如图8所示。先在网关硬件上移植Fre-eRTOS操作系统,已实现多任务调度,然后实现SX1268和W5500驱动程序的移植,在此基础上使用Socket通讯库实现TCP/IP通信,使用文件系统完成传感器数据的本地存储。上层是应用程序设计,实现逻辑层与底层硬件的无关性。采用上述层次化软件设计方法进行系统软件设计后,使得系统在软件设计上具有如下特点:

  (1)具有较强的可读性:由于逻辑层与驱动程序分层设计,使得系统的软件代码具有较高的可读性。代码可读性提高,不仅有利于多人之间相互交流,也有利于代码的维护,代码可读性强是项目可持续性发展的必要条件。

  (2)具有较强的可复用性:由于逻辑层与驱动程序分层设计,在进行项目升级或者其它项目设计时,可以借助原有项目的程序设计代码,使得程序的开发效率大幅度提高。

  (3)具有可多人协作性:由于逻辑层与驱动程序分层设计,使得不同的设计人员根据自身的技术特点,仅专注于某一层进行程序设计,这样可以使得程序开发可以多人协作进行。

  (4)具有可移植性:由于逻辑层与驱动程序分层设计,则逻辑层与硬件无关,这就意味着逻辑层可以在其它满足逻辑层运行条件的硬件上运行,使得逻辑层可以跨硬件平台移植。

  4 系统特点

  本文所设计的智慧校园数据网关相对于传统的物联网数据网关,具有如下显著特点:

  (1)基于LoRa技术实现传感器数据的采集,通信距离远,网络简单,易于控制;

  (2)采用低功耗技术实现数据网关,可采用电池供电方案,亦可在供电电源断电工作较长时间;

  (3)采用W5500实现TCP/IP数据收发,实时性强;

  (4)软件系统采用层次化软件设计方法,使得软件具备可读性强、可复用、可多人协作和可移植的显著特点。

  5 安科瑞网关介绍

  5.1通信管理机

  5.1.1概述

  本系列智能通信管理机是一款采用嵌入式硬件计算机平台,具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口,用于将一个目标区域内所有的智能监控/保护装置的通信数据整理汇总后,实时上传主站系统,完成遥信、遥测等能源数据采集功能。

  同时,本系列智能通信管理机支持接收上级主站系统下达的命令,并转发给目标区域内的智能系列单元,完成对厂站内各开关设备的分、合闸远方控制或装置的参数整定,实现遥控和遥调功能,以达到远动输出调度命令的目标。

  5.1.2产品介绍

  

  5.2数据转换模块

  5.2.1概述

  AF-GSM是安科瑞电气推出的新型的4G远程无线数据采集设条,采用嵌入式设计。内嵌TCP/IP协议栈,同时采用了功能强大的微处理芯片,配合内置看门狗,性能可靠稳定。

  本产品提供标准RS485数据接口,可以方便的连接RTU、PLC、工控机等设备,仅需一次性完成初始化配置。就可以完成对MODBUS设备的数据采集,并且与安科瑞服务器进行通讯。

  5.2.2产品介绍

  

  5.3无线通讯终端

  5.3.1概述

  AWT100数据转换模块是安科瑞电气推出的新型数据转换DTU,通讯数据转换包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN,GPS,WiFi,CE,DP 等通讯方式,下行接口提供了标准RS485数据接口,可以方便的连接电力仪表、RTU、PLC、工控机等设备,仅需一次性完成初始化配置,就可以完成对MODBUS设备的数据采集;同时AWT100系列无线通讯终端采用了功能强大的微处理芯片,配合内置看门狗技术,性能可靠稳定。

  AWT200数据通讯网关应用于各种终端设备的数据采集与数据分析。实现设备的监测、控制、计算,为系统与设备之间建立通讯纽带,实现双向的数据通讯。实时监测并及时发现异常数据,同时自身根据用户规则进行逻辑判断,大大的节省了人力和通讯成本。

  5.4.2产品介绍

  6 结语

  论文详细介绍了基于LoRa技术的智慧校园数据网关的硬件实现与软件架构,其具有传输距离远、超低功耗、联网简单、实时性强等显著特点。论文所设计的数据网关已在国内多所高校进行了安装,取得了较好的应用效果。

  参考文献:

  [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]张皓.计算机物联网技术应用及发展研究[J].电子技术与软件工程,2016(22):10.

  [3]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全(产品报价手册).2023.01版

  [4]企业微电网设计与应用手册.2022.05版.