博物館微環(huán)境監(jiān)測(cè)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐大量

摘 要："十一五"期間，文物系統(tǒng)針對(duì)博物館特殊環(huán)境開(kāi)展了基于"潔凈、穩(wěn)定"的微環(huán)境調(diào)控研究。對(duì)博物館現(xiàn)有的微環(huán)境監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行了研究，提出了一種以L(fǎng)oRa無(wú)線(xiàn)通信為核心，能夠遠(yuǎn)距離通信，抗干擾能力強(qiáng)的博物館微環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)所，并創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)對(duì)接入智能網(wǎng)關(guān)的終端地理位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。相信不久的將來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，博物館場(chǎng)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(dòng)化技術(shù)實(shí)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(cè)；智能網(wǎng)關(guān)；

0引言

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，除運(yùn)營(yíng)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(wú)線(xiàn)技術(shù)本身已經(jīng)成熟，但是優(yōu)缺點(diǎn)也都非常明顯，在長(zhǎng)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(gè)背景下應(yīng)運(yùn)而生。其專(zhuān)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(jì)。

1網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)器（non-volatile memory， NVM）工藝和自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(hào)處理（digital signal processing， DSP）指令和浮點(diǎn)單元（floating point unit，F(xiàn)PU），提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。在功效方面，該芯片支持動(dòng)態(tài)功耗調(diào)整功能，能夠在運(yùn)行模式下實(shí)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(jí)射頻無(wú)線(xiàn)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(wèn)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(shì)，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無(wú)法同時(shí)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(mǎn)足于該終端在遠(yuǎn)距離傳輸和可靠性極高的設(shè)計(jì)需求。

2網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

2.1 LoRaWAN總體架構(gòu)

LoRaWAN總體架構(gòu)如圖1所示。

用戶(hù)獲得裝置/節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的通信鏈路有下面三段：

1、節(jié)點(diǎn)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(hù)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(diǎn)共同遵守的MAC層協(xié)議的前提下，不同硬件廠(chǎng)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(hù)這兩層的協(xié)議雖然LoRa聯(lián)盟有所規(guī)范，但不同廠(chǎng)商之間可能會(huì)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(guò)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(méi)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(gè)活動(dòng)對(duì)象，即無(wú)線(xiàn)收發(fā)器（SX1278）和網(wǎng)口收發(fā)器。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，網(wǎng)絡(luò)同步，時(shí)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(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包封裝傳輸給服務(wù)器。

2.4.1無(wú)線(xiàn)收發(fā)器

在進(jìn)入工作狀態(tài)后，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器首先依次掃描當(dāng)前設(shè)置頻段下所有節(jié)點(diǎn)MAC/IP地址。當(dāng)獲取節(jié)點(diǎn)成功后，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)賦予的上報(bào)時(shí)隙，設(shè)定節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)上報(bào)采集數(shù)據(jù)，就按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)分批次存入到Flash存儲(chǔ)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(qǐng)求指令發(fā)送各節(jié)點(diǎn)打包的數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

3網(wǎng)關(guān)測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試系統(tǒng)中包含1個(gè)網(wǎng)關(guān)和多個(gè)溫濕度、二氧化碳濃度、光照度、紫外線(xiàn)強(qiáng)度、揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度等各種監(jiān)測(cè)終端。終端分別布置于博物館各個(gè)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(guò)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(bào)文。

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，在博物館復(fù)雜環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)通信丟包率≤0.03%，完全滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)、使用要求。

4結(jié)束語(yǔ)

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(cè)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了LoRa的技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸、多節(jié)點(diǎn)、低成本。本文對(duì)網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件設(shè)計(jì)等進(jìn)行詳細(xì)分析。長(zhǎng)期測(cè)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(mǎn)足博物館微環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的需求。