王東 楊杰

摘要：溫室大棚環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)在使用WiFi，Bluetooth，GPRS，ZigBee，4G等通信技術(shù)時(shí)，要么存在通信距離短，要么存在功耗高的缺點(diǎn)，而LoRa和NB-IoT剛好解決了這一看似矛盾的問題。文章應(yīng)用LoRa和NB-IoT無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)采集終端上報(bào)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，推送到應(yīng)用服務(wù)器，并詳細(xì)介紹了網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過對(duì)這兩種無線通信技術(shù)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(fèi)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；LoRa；NB-IoT；無線通信；數(shù)據(jù)采集模塊；云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)無線通信主要采用WiFi，Bluetooth，GPRS，ZigBee，4G等通信技術(shù)，這些通信技術(shù)要么存在通信距離短，要么存在功耗高的缺點(diǎn)［1-3］。而LoRa和NB-IoT剛好解決了這一看似矛盾的問題，既能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，又解決了低功耗。LoRa網(wǎng)絡(luò)無后期網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行費(fèi)用，但無法直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，而NB-IoT雖然能通過核心網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)，但是需要后期運(yùn)行費(fèi)用。本文結(jié)合LoRa和NB-IoT各自的優(yōu)勢設(shè)計(jì)了用于溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)能夠在對(duì)供電和成本要求嚴(yán)格、數(shù)據(jù)量小的應(yīng)用場合具有較好的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)采集模塊由MCU、LoRa模塊及用于環(huán)境參數(shù)檢測的傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到由MCU、LoRa模塊和NB-IoT模塊構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)經(jīng)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到華為的OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)［4］，并推送至應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行解析和儲(chǔ)存，供用戶查詢和使用。

2 網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)模塊主要負(fù)責(zé)與各數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信，接收由數(shù)據(jù)采集模塊上報(bào)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊轉(zhuǎn)發(fā)到云端，供管理人員查看。網(wǎng)關(guān)模塊主要包括電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、LoRa通信模塊以及NB-IoT通信模塊。

2.1 電源選擇

本網(wǎng)關(guān)模塊在進(jìn)行LoRa通信和NB-IoT模塊發(fā)射時(shí)功耗最大，但LoRa和NB-IoT并不同時(shí)通信。根據(jù)ATK-LoRa-01的技術(shù)參數(shù)，LoRa模塊供電電壓為3.3 V～5 V，最大電流為118 mA（可調(diào)）；NB-IoT模塊供電電壓為3.1 V～4.2 V，射頻發(fā)射狀態(tài)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(tǒng)的電源要求。同時(shí)為了方便電路調(diào)試，本文設(shè)計(jì)了USB供電和USB轉(zhuǎn)TTL模塊，其電路如圖2所示。當(dāng)不需要該部分時(shí)，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(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)選擇的MCU為STC8A8K64S4A12，無需外部復(fù)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(gè)串口。其中，串口1用于MCU的程序更新下載和調(diào)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(tǒng)功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)，本文選擇了正點(diǎn)原子ATK-LoRa-01模塊，該模塊是基于SX1278設(shè)計(jì)開發(fā)的LoRa擴(kuò)頻傳輸模塊，工作頻率410～441 MHz，傳輸距離大于3 000 m，待機(jī)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(jī)的串口3進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其AUX引腳連接單片機(jī)P32，MDO引腳與單片機(jī)P07連接，用于檢測LoRa模塊的狀態(tài)以及對(duì)LoRa模塊進(jìn)行控制。

2.4 NB-IoT模塊主要電路設(shè)計(jì)

與互聯(lián)網(wǎng)連接的模塊選擇NB-IoT通信，模塊選擇移遠(yuǎn)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(fā)射狀態(tài)最大250 mA，接收狀態(tài)50 mA，供電電壓3.1 V～4.2 V。

BC35-G模塊包含一個(gè) USIM 接口，支持 3GPP 規(guī)范的功能，并通過模塊內(nèi)部的電源供電，支持 1.8/3.0V 供電。根據(jù)BC35-G硬件設(shè)計(jì)手冊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，但要注意外部 USIM 卡座要靠近模塊擺放，同時(shí)，外部 USIM 卡信號(hào)線布線遠(yuǎn)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(hù)性能。為了更好地調(diào)節(jié)射頻性能，本文設(shè)計(jì)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(lián)一個(gè)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(wǎng)關(guān)電路板實(shí)物如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)可知，網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)通信使用NB-IoT通信，網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信采用LoRa通信。本網(wǎng)關(guān)模塊選擇使用NB-IoT設(shè)計(jì)的目的在于其低功耗以及多個(gè)數(shù)據(jù)采集終端共用資費(fèi)以節(jié)省通信費(fèi)用，故同一個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊所連接的數(shù)據(jù)采集終端數(shù)量不會(huì)很多，設(shè)定為最大16個(gè)，而上傳數(shù)據(jù)的頻率也不高，只是在給定的時(shí)間間隔點(diǎn)上由數(shù)據(jù)采集模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)上傳，網(wǎng)關(guān)與各數(shù)據(jù)采集模塊之間的LoRa通信采用輪詢的方式進(jìn)行，網(wǎng)關(guān)需要提前設(shè)置好數(shù)據(jù)采集模塊的地址，因此需要提前在應(yīng)用服務(wù)器上配置好每個(gè)網(wǎng)關(guān)下數(shù)據(jù)采集模塊的地址列表。又由于同一個(gè)網(wǎng)關(guān)會(huì)上傳多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，而OceanConnect需要根據(jù)配置的解碼插件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，所以數(shù)據(jù)中必須包含數(shù)據(jù)采集模塊的地址，故設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示。

若網(wǎng)關(guān)地址不為0，終端地址為0，代表數(shù)據(jù)為網(wǎng)關(guān)發(fā)送；若數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)為全0，則表示向服務(wù)器請求終端地址列表。

服務(wù)器接收到網(wǎng)關(guān)請求數(shù)據(jù)采集模塊地址列表時(shí)，下發(fā)數(shù)據(jù)僅為終端地址列表數(shù)據(jù)，其通信數(shù)據(jù)格式如表2所示。

網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)采集模塊之間采用定向傳輸，網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器獲取到數(shù)據(jù)采集模塊地址列表和通信信道后，根據(jù)既定的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行輪詢，網(wǎng)關(guān)向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送信息的數(shù)據(jù)格式如表3所示。

數(shù)據(jù)采集模塊被網(wǎng)關(guān)喚醒后，立即采集相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)包，上傳到網(wǎng)關(guān)，其數(shù)據(jù)格式如表4所示。

系統(tǒng)通電時(shí)，首先初始化NB-IoT模塊和LoRa模塊，然后通過NB-IoT模塊向服務(wù)器請求數(shù)據(jù)采集模塊地址列表，將LoRa模塊設(shè)置成喚醒模式，按既定規(guī)則發(fā)送命令喚醒數(shù)據(jù)采集模塊上傳數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)接收后，將LoRa模塊設(shè)置成省電模式，并將收到的數(shù)據(jù)打包上傳到服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，整個(gè)網(wǎng)關(guān)所有模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省功耗，然后等待下一次通信。網(wǎng)關(guān)固件流程如圖5所示。

4 服務(wù)器軟件開發(fā)

服務(wù)器端主要分為兩部分：一是OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)置；二是應(yīng)用服務(wù)器軟件開發(fā)。

OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)置主要是根據(jù)網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)的通信數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行Profile定義、編解碼插件開發(fā)以及設(shè)置數(shù)據(jù)推送服務(wù)。

應(yīng)用服務(wù)器軟件開發(fā)主要包括接收由OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)推送的JSON數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和儲(chǔ)存，供用戶進(jìn)行查詢。應(yīng)用服務(wù)器軟件主要使用ASP.NET開發(fā)WebAPI接口，在POST接口中接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)請求數(shù)據(jù)采集終端的地址時(shí)，則可以根據(jù)設(shè)置好的數(shù)據(jù)采集模塊地址列表數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)包，利用NB-IoT模塊上傳數(shù)據(jù)后的eDRX窗口下發(fā)預(yù)先設(shè)置好的地址列表數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

利用LoRa和NB-IoT無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)無線網(wǎng)關(guān)，用于野外數(shù)據(jù)采集等場合的無線通信，能夠較好地利用各自的優(yōu)勢，在一定范圍和特定的場景下降低無線通信的功耗和費(fèi)用，較其他通信模塊有更廣的適應(yīng)范圍。

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（編輯 王雪芬）