博物館微環(huán)境監(jiān)測智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

唐大量

摘 要："十一五"期間，文物系統(tǒng)針對博物館特殊環(huán)境開展了基于"潔凈、穩(wěn)定"的微環(huán)境調(diào)控研究。對博物館現(xiàn)有的微環(huán)境監(jiān)測終端進(jìn)行了研究，提出了一種以LoRa無線通信為核心，能夠遠(yuǎn)距離通信，抗干擾能力強的博物館微環(huán)境監(jiān)測智能網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)能應(yīng)用于博物館的展柜、展廳等全天24小時監(jiān)測場所，并創(chuàng)新性地實現(xiàn)對接入智能網(wǎng)關(guān)的終端地理位置進(jìn)行實時定位。相信不久的將來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，博物館場景中各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能和自動化技術(shù)實現(xiàn)最終的聚合和集成應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LoRa；STM32F407；微環(huán)境監(jiān)測；智能網(wǎng)關(guān)；

0引言

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線技術(shù)，除運營商廣域網(wǎng)的GPRS、3G/4G以外，還有局域網(wǎng)短距離的ZigBee、WiFi、藍(lán)牙。雖然這些無線技術(shù)本身已經(jīng)成熟，但是優(yōu)缺點也都非常明顯，在長距離和低功耗之間只能二選一。低功耗廣域（low power wide area，LPWA）技術(shù)在這個背景下應(yīng)運而生。其專為遠(yuǎn)距離、低帶寬、低功耗、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計。

1網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

該網(wǎng)關(guān)MCU主控芯片STM32F407是基于Cortex？-M4為內(nèi)核的STM32F4系列高性能微控制器。其采用了90 納米的NVM非易失存儲器（non-volatile memory， NVM）工藝和自適應(yīng)實時存儲器加速器（adaptive real-time memory accelerator， ART）。ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，將Cortex？-M4的性能發(fā)揮到了極致。該芯片集成了單周期數(shù)字信號處理（digital signal processing， DSP）指令和浮點單元（floating point unit，F(xiàn)PU），提升了計算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計算和控制。在功效方面，該芯片支持動態(tài)功耗調(diào)整功能，能夠在運行模式下實現(xiàn)低至238 μA/MHz的電流消耗。網(wǎng)絡(luò)接口支持具有符合IEEE 1588 v2標(biāo)準(zhǔn)要求的以太網(wǎng)MAC10/100。

該網(wǎng)管采用Semtech公司SX1278的一款工業(yè)級射頻無線模塊。該模塊采用源自軍用戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的LoRa調(diào)制技術(shù)，解決了小數(shù)據(jù)量在復(fù)雜環(huán)境中的超遠(yuǎn)距離通信問題。與傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術(shù)相比，該模塊采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在抑制同頻干擾的性能方面也具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗擾和功耗的弊端。此外，該模塊集成了+20dBm的可調(diào)功率放大器，并可獲得-148dBm的接收靈敏度，鏈路預(yù)算達(dá)到了領(lǐng)先水平，完全滿足于該終端在遠(yuǎn)距離傳輸和可靠性極高的設(shè)計需求。

2網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

2.1 LoRaWAN總體架構(gòu)

LoRaWAN總體架構(gòu)如圖1所示。

用戶獲得裝置/節(jié)點數(shù)據(jù)的通信鏈路有下面三段：

1、節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的通信鏈路；

2、網(wǎng)關(guān)與服務(wù)的通信鏈路；

3、服務(wù)與用戶的通信鏈路；

LoRa聯(lián)盟規(guī)定了MAC層的通信協(xié)議。只有在裝置/節(jié)點共同遵守的MAC層協(xié)議的前提下，不同硬件廠商的設(shè)備才能互相接入。

而網(wǎng)關(guān)<--->服務(wù)以及服務(wù)<---> 用戶這兩層的協(xié)議雖然LoRa聯(lián)盟有所規(guī)范，但不同廠商之間可能會存在不同。

2.2軟件流程圖

上電復(fù)位是初始化所有引腳、控制器并進(jìn)入就緒狀態(tài)。

等待指令期間，網(wǎng)口進(jìn)入指令接收狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)口接收是否進(jìn)入“參數(shù)設(shè)置狀態(tài)”指令，等待配置工具發(fā)出指令。如果在3s內(nèi)沒有接收到“參數(shù)設(shè)置指令”，則認(rèn)為本次不需要進(jìn)入“參數(shù)設(shè)置狀態(tài)”；如果收到“參數(shù)設(shè)置”指令，則立即進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，否則再次直接進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.3參數(shù)設(shè)置狀態(tài)

進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，網(wǎng)口處于接收狀態(tài)，等待接收命令.當(dāng)收到命令后進(jìn)行相應(yīng)命令處理。指令處理完后再次進(jìn)入指令接收狀態(tài)，直至接收到“參數(shù)設(shè)置完成”指令，系統(tǒng)復(fù)位。

2.4工作狀態(tài)

進(jìn)入工作狀態(tài)，有兩個活動對象，即無線收發(fā)器（SX1278）和網(wǎng)口收發(fā)器。無線收發(fā)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，網(wǎng)絡(luò)同步，時間同步等；網(wǎng)口收發(fā)器負(fù)責(zé)周期采集傳感器數(shù)據(jù)將無線節(jié)點的數(shù)據(jù)打包封裝傳輸給服務(wù)器。

2.4.1無線收發(fā)器

在進(jìn)入工作狀態(tài)后，無線收發(fā)器首先依次掃描當(dāng)前設(shè)置頻段下所有節(jié)點MAC/IP地址。當(dāng)獲取節(jié)點成功后，根據(jù)該節(jié)點入網(wǎng)時賦予的上報時隙，設(shè)定節(jié)點的喚醒時間。如果節(jié)點上報采集數(shù)據(jù)，就按照時間節(jié)點分批次存入到Flash存儲器中保存，等待網(wǎng)口指令打包采集數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。

2.4.2 網(wǎng)口收發(fā)器

網(wǎng)口收發(fā)器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)請求指令發(fā)送各節(jié)點打包的數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

3網(wǎng)關(guān)測試驗證

測試系統(tǒng)中包含1個網(wǎng)關(guān)和多個溫濕度、二氧化碳濃度、光照度、紫外線強度、揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度等各種監(jiān)測終端。終端分別布置于博物館各個展廳和展柜里。網(wǎng)關(guān)布置在博物館中心控制室，控制室電腦通過以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)連接，讀取所部署終端發(fā)送的數(shù)據(jù)報文。

經(jīng)測試驗證，在博物館復(fù)雜環(huán)境下，無線通信丟包率≤0.03%，完全滿足網(wǎng)關(guān)的設(shè)計、使用要求。

4結(jié)束語

本文將LoRaWAN低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于博物館微環(huán)境監(jiān)測智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，運用了LoRa的技術(shù)特點實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸、多節(jié)點、低成本。本文對網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件設(shè)計等進(jìn)行詳細(xì)分析。長期測試結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)在連續(xù)不間斷工作365天里保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，完全滿足博物館微環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的需求。