面向船舶艙室的LoRa的無線傳感網關的設計

肖揚

摘?要：隨著物聯網時代的來臨，各大廠商爭相投入巨大的財力和精力于物聯網的各個產業，由此促進了物聯網行業近幾年飛速的發展。傳統的無線通信技術如ZigBee、WIFI在某些應用場合下已經無法滿足當前的需求，為滿足應用的需要，出現了一些新的網絡通信技術，如LoRa、NB-IOT等，它們針對不同的應用展現出獨特的優勢。本文簡要分析LoRa技術及其協議的特點，然后簡述它們在船舶方面應用的優勢，并設計了以Cortex-A系列的主控芯片為核心，包括lcd顯示模塊和觸摸屏、LoRa模塊等設備的網關，從而實現具有LoRa通信、以太網通信、實時顯示、參數查詢與設定等功能，具有一定的現實意義。

關鍵詞：物聯網;船舶;LoRa

1?背景及意義

船舶為了實現對裝置的監視、控制與保護，需要設置大量的傳感器。遠傳儀表都是通過船用電纜、光纜等與二次儀表或其他上層設備實現信號的傳輸。由于電纜數量大、施工環境差，電纜端接中也易出現漏接、虛接、錯接等問題，加大了后期電纜連接正確性排查的工作量。將無線傳感器應用于船舶能夠大大增強傳感器布置的靈活性、大幅減少船舶建造過程中的電纜敷設和端接工作量。無線LoRa技術具有抗干擾[1]、遠距離[2]、低成本等特點，應用在船舶無線通信領域是一個較好的技術選擇。在船舶中對設備部署無線傳感器，開發一種穩定且可靠的LoRa網關，對智慧船舶物聯網的發展具有重要的意義。

2?系統總體設計

智慧船舶物聯網主要由無線傳感器節點（主要用于測量溫度）、無線網關、上位機三部分組成。網關與節點采用星型組分組組網模式，網關與上位機之間采用以太網通信。單組網關帶有20個節點，每個節點分布于每個艙室的特定位置。節點采集溫度數據，通過LoRa將數據發送給網關，網關將收到的數據解析并封裝后通過以太網上報給監控界面。

3?硬件設計

嵌入式網關硬件平臺主要是由ARM處理器為控制核心，加上無線LoRa模塊、Flash存儲芯片、EEROM、RTC芯片等外設組成，用于實現網關與下層節點及上層服務器的通信。

從ARMv7架構的芯片開始，根據不同的應用領域，將芯片分為Cortex-M、Cortex-A、Cortex-R三個系列[3]。三種系列中Cortex-A擁有強大的計算能力，具有較高的性價比，因此選擇Cortex-A系列芯片，在Cortex-A系列芯片中，A17芯片相對于其他A系列芯片來說，性能較高，因此主控芯片選用基于Cortex-A17的RK3288芯片作為核心處理器的瑞芯微RK3288的開發板。此開發板是基于ARM?Cortex-A17四核的微控制器，支持RTC時鐘實時保存;支持千兆有線以太網RTL8211E;支持多種SPI，I2C，UART，等外圍器件擴展。LoRa模塊選用semtech生產的SX1301模塊[4]，SX1301數字基帶芯片是一款海量數字信號處理引擎，專為在全球ISM頻段提供突破性網關功能而設計。

4?軟件設計

4.1?網關軟件設計

LoRa網關作為網絡傳輸的重要環節，是對下層節點信息的收集與上層命令的接收的重要設備，因此對網關軟件的設計至關重要。網關工作的總體流程圖如右圖所示。

網關工作流程圖

4.2?網關與節點的通信

節點與LoRa網關的通信采用LoRawan協議，節點通過將采集的溫度數據組織成數據包，然后送入MAC層形成數據幀，最后經過LoRa調制發送數據給網關。

4.3?網關與上位機的通信

無線網關在正式開始通信前需要向上位機申請入網，當入網成功后，上位機將通過響應消息提供設備地址給相關的無線網關，然后就可以正式開始通信，通信時，采取輪詢方式，由上位機逐個詢問各個無線網關，采集相關數據，當上位機多次詢問某個無線網關，沒有接收相應的響應報文。則認為該無線網關處于離線狀態，再次通信之前，該無線網關需要重新申請入網。

5?結語

本文提出的面向船舶艙室的LoRa的無線傳感網關樣機可以通過上位機或者開發板自帶的液晶屏登錄系統，查看網關與節點及上位機的數據接收與發送狀態，設置數據的接收與發送功能。通過測試，結果表明數據傳輸可靠高效，功耗較低，抗干擾能力較強，具有較大的現實意義。

參考文獻：

[1]楊歡，李紅信.一種采用LoRa技術的智能水表設計[J].無線電工程，2017，47（12）：75-78.

[2]王燦，王中華，王冬雪，等.基于LoRa的智能灌溉系統設計[J].計算機測量與控制，2018，26（8）：217-221.

[3]劉振東.基于ARM的嵌入式軟硬件系統設計與實現[J].信息記錄材料，2018，19（4）.

[4]李達，楊禎，劉輝席，張麗，劉守印.嵌入式Linux的LoRaWAN集成網關系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（07）：10-14.