基于LoRa和NB-IoT的溫室大棚數據采集系統網關設計

王東 楊杰

摘要：溫室大棚環境參數檢測系統在使用WiFi，Bluetooth，GPRS，ZigBee，4G等通信技術時，要么存在通信距離短，要么存在功耗高的缺點，而LoRa和NB-IoT剛好解決了這一看似矛盾的問題。文章應用LoRa和NB-IoT無線通信技術，設計了溫室大棚數據采集系統網關，實現了接收數據采集終端上報的數據并轉發到OceanConnect物聯網平臺，推送到應用服務器，并詳細介紹了網關的軟硬件設計。通過對這兩種無線通信技術的組合，在一定范圍和特定場景下能夠降低無線通信的功耗和費用，具有一定的實用價值。

關鍵詞：溫室大棚；LoRa；NB-IoT；無線通信；數據采集模塊；云平臺

中圖分類號：TP277文獻標志碼：A

0 引言

目前，物聯網無線通信主要采用WiFi，Bluetooth，GPRS，ZigBee，4G等通信技術，這些通信技術要么存在通信距離短，要么存在功耗高的缺點［1-3］。而LoRa和NB-IoT剛好解決了這一看似矛盾的問題，既能進行遠距離通信，又解決了低功耗。LoRa網絡無后期網絡運行費用，但無法直接連接到互聯網，而NB-IoT雖然能通過核心網連接到互聯網，但是需要后期運行費用。本文結合LoRa和NB-IoT各自的優勢設計了用于溫室大棚環境數據采集系統的網關，該網關能夠在對供電和成本要求嚴格、數據量小的應用場合具有較好的優勢。

1 系統架構

系統架構如圖1所示，數據采集模塊由MCU、LoRa模塊及用于環境參數檢測的傳感器構成，負責將采集的數據發送到由MCU、LoRa模塊和NB-IoT模塊構成的網關，再由網關將數據經核心網轉發到華為的OceanConnect物聯網平臺［4］，并推送至應用服務器進行解析和儲存，供用戶查詢和使用。

2 網關硬件電路設計

網關模塊主要負責與各數據采集模塊進行通信，接收由數據采集模塊上報的環境數據，并將收到的數據通過NB-IoT模塊轉發到云端，供管理人員查看。網關模塊主要包括電源模塊、單片機最小系統、LoRa通信模塊以及NB-IoT通信模塊。

2.1 電源選擇

本網關模塊在進行LoRa通信和NB-IoT模塊發射時功耗最大，但LoRa和NB-IoT并不同時通信。根據ATK-LoRa-01的技術參數，LoRa模塊供電電壓為3.3 V～5 V，最大電流為118 mA（可調）；NB-IoT模塊供電電壓為3.1 V～4.2 V，射頻發射狀態最大為250 mA；MCU選擇STC8A8K64S4A12芯片，該芯片供電電壓為2.0 V～5.5 V。故電源選擇ER26500型電池，8 500 mAH電量，電壓3.6 V，最大能提供300 mA的電流，完全能夠滿足系統的電源要求。同時為了方便電路調試，本文設計了USB供電和USB轉TTL模塊，其電路如圖2所示。當不需要該部分時，只需要斷開SW4或此部分電路不焊接，將電池接入VCC即可。

2.2 單片機最小系統

本系統選擇的MCU為STC8A8K64S4A12，無需外部復位和晶振電路，接入電源即可工作，提供IDEL和STOP兩種低功耗模式，最低可降至0.1 μA，具有4個串口。其中，串口1用于MCU的程序更新下載和調試使用，串口2用于與NB-IoT模塊通信，串口3用于與LoRa模塊通信，電路如圖3所示。

2.3 LoRa通信模塊

為了使系統功耗低、傳輸距離遠，本文選擇了正點原子ATK-LoRa-01模塊，該模塊是基于SX1278設計開發的LoRa擴頻傳輸模塊，工作頻率410～441 MHz，傳輸距離大于3 000 m，待機功耗2.3 μA，支持AT指令配置，3.3 V～5 V供電，工作電流2.3 μA～118 mA。通過串口與單片機的串口3進行數據交換，其AUX引腳連接單片機P32，MDO引腳與單片機P07連接，用于檢測LoRa模塊的狀態以及對LoRa模塊進行控制。

2.4 NB-IoT模塊主要電路設計

與互聯網連接的模塊選擇NB-IoT通信，模塊選擇移遠BC35-G。該模塊是一款高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，PSM下最大電流5 μA，射頻發射狀態最大250 mA，接收狀態50 mA，供電電壓3.1 V～4.2 V。

BC35-G模塊包含一個 USIM 接口，支持 3GPP 規范的功能，并通過模塊內部的電源供電，支持 1.8/3.0V 供電。根據BC35-G硬件設計手冊進行電路設計，但要注意外部 USIM 卡座要靠近模塊擺放，同時，外部 USIM 卡信號線布線遠離 RF 走線和 VBAT 電源線，外部 USIM 卡座的地與模塊的 USIM_GND 布線要短而粗。在外部 USIM 卡的引腳增加了TVS 管確保良好的 ESD 防護性能。為了更好地調節射頻性能，本文設計了π形匹配電路，且電路元件盡量靠近天線放置。在和MCU的串口連接線路中，需要串聯一個1 kΩ的電阻，以防止漏電，增加功耗，BC35-G模塊主要接口電路和最終制作的網關電路板實物如圖4所示。

3 軟件設計

根據系統架構可知，網關與互聯網通信使用NB-IoT通信，網關與數據采集模塊之間的通信采用LoRa通信。本網關模塊選擇使用NB-IoT設計的目的在于其低功耗以及多個數據采集終端共用資費以節省通信費用，故同一個網關模塊所連接的數據采集終端數量不會很多，設定為最大16個，而上傳數據的頻率也不高，只是在給定的時間間隔點上由數據采集模塊采集環境數據上傳，網關與各數據采集模塊之間的LoRa通信采用輪詢的方式進行，網關需要提前設置好數據采集模塊的地址，因此需要提前在應用服務器上配置好每個網關下數據采集模塊的地址列表。又由于同一個網關會上傳多個數據采集模塊的數據，而OceanConnect需要根據配置的解碼插件對接收到的數據進行解碼，所以數據中必須包含數據采集模塊的地址，故設計網關向服務器上傳數據通信協議如表1所示。

若網關地址不為0，終端地址為0，代表數據為網關發送；若數據包中數據為全0，則表示向服務器請求終端地址列表。

服務器接收到網關請求數據采集模塊地址列表時，下發數據僅為終端地址列表數據，其通信數據格式如表2所示。

網關和數據采集模塊之間采用定向傳輸，網關向服務器獲取到數據采集模塊地址列表和通信信道后，根據既定的規則對數據采集模塊進行輪詢，網關向數據采集模塊發送信息的數據格式如表3所示。

數據采集模塊被網關喚醒后，立即采集相關傳感器的數據，形成數據包，上傳到網關，其數據格式如表4所示。

系統通電時，首先初始化NB-IoT模塊和LoRa模塊，然后通過NB-IoT模塊向服務器請求數據采集模塊地址列表，將LoRa模塊設置成喚醒模式，按既定規則發送命令喚醒數據采集模塊上傳數據，完成數據接收后，將LoRa模塊設置成省電模式，并將收到的數據打包上傳到服務器，完成數據發送后，整個網關所有模塊進入休眠狀態，以節省功耗，然后等待下一次通信。網關固件流程如圖5所示。

4 服務器軟件開發

服務器端主要分為兩部分：一是OceanConnect物聯網平臺的設置；二是應用服務器軟件開發。

OceanConnect物聯網平臺的設置主要是根據網關向服務器上傳數據的通信數據格式，進行Profile定義、編解碼插件開發以及設置數據推送服務。

應用服務器軟件開發主要包括接收由OceanConnect物聯網平臺推送的JSON數據，對數據進行解析和儲存，供用戶進行查詢。應用服務器軟件主要使用ASP.NET開發WebAPI接口，在POST接口中接收數據，并對數據進行解析和存儲，當接收到網關請求數據采集終端的地址時，則可以根據設置好的數據采集模塊地址列表數據生成數據包，利用NB-IoT模塊上傳數據后的eDRX窗口下發預先設置好的地址列表數據。

5 結語

利用LoRa和NB-IoT無線通信技術設計無線網關，用于野外數據采集等場合的無線通信，能夠較好地利用各自的優勢，在一定范圍和特定的場景下降低無線通信的功耗和費用，較其他通信模塊有更廣的適應范圍。

參考文獻

［1］金恩曼，陳培余.一種智能大棚的溫濕度檢測系統［J］.數字技術與應用，2019（7）：85-87.

［2］蔣震，王箏，曹中強，等.基于NB-IoT的溫濕度采集系統設計與實現［J］.信息化研究，2018（6）：63-69.

［3］冀汶莉，王佳豪，王新偉.基于LoRa的農業大田土壤多參數監測系統設計［J］.無線電工程，2023（2）：456-464.

［4］賈婷，安璐，廖明，等.基于STM32的鐵路運輸站內NB-IoT可視化云BAS系統設計［J］.計算機測量與控制，2022（4）：209-215.

（編輯 王雪芬）