|
1 LoRa技術(shù)
1.1 簡(jiǎn)介
LoRa是LPWAN（Low Power Wide Area Net work，低功耗廣域網(wǎng)）通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech公司研發(fā)的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)顛覆了過去通信技術(shù)領(lǐng)域中有關(guān)遠(yuǎn)距離與低功耗的傳統(tǒng)認(rèn)知。設(shè)計(jì)者采用LoRa技術(shù)完成數(shù)據(jù)通信可以兼顧遠(yuǎn)距離與低功耗的各自優(yōu)點(diǎn)，并由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，其可以大大節(jié)省額外的中繼開銷，使得系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，傳輸效率較高。目前，LoRa技術(shù)主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè)科學(xué)醫(yī)療）頻段運(yùn)行，主要包括433、868、915MHz等。
LoRa技術(shù)將擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)技術(shù)（Cyclic Redundancy Check，CRC）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。相對(duì)于頻移監(jiān)控技術(shù)（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK），LoRa技術(shù)在擴(kuò)大無(wú)線通訊鏈路覆蓋范圍的同時(shí)，又提高了系統(tǒng)的魯棒性。所以LoRa技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾性，設(shè)計(jì)者通過調(diào)整擴(kuò)頻因子，以及帶寬和編碼率，就可以對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。
1.2特點(diǎn)
（1）靈敏度可達(dá)-148dBm，發(fā)射功率可達(dá)22dBm；
（2）傳輸距離上限可達(dá)15km，建筑物密集區(qū)可覆蓋2km左右的通信范圍，空曠地帶覆蓋范圍可達(dá)10km；
（3）接收是功耗低至10mA，睡眠電流為200nA，可使用電池供電，長(zhǎng)時(shí)間工作；
（4）數(shù)據(jù)傳輸速率的范圍是0.3kbps到50kbps，其可通過速率自適應(yīng)技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，以均衡功耗和傳輸距離；
（5）使用基于信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)距技術(shù)進(jìn)行定位，其精度可達(dá)5米。
1.3 LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示，由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器和移動(dòng)服務(wù)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過LoRa技術(shù)進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)與中心服務(wù)器之間可以采用有線通信方式，也可以采用4G/5G等無(wú)線通信方式，移動(dòng)服務(wù)通過Internet訪問中心服務(wù)器。
圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 總體結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由LoRa射頻電路、微控制器、以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口電路組成。LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT，用于通過無(wú)線方式采集遠(yuǎn)端的傳感器數(shù)據(jù)；微控制器電路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于處理接收到的傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和存儲(chǔ)；以太網(wǎng)電路采用WIZnet公司的W5500，W5500內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧并自帶MAC和PHY電路，使用便捷、穩(wěn)定可靠；以太網(wǎng)接口電路采用HanRun公司的HR91105A，其內(nèi)部集成網(wǎng)絡(luò)變壓器，并具有很強(qiáng)的EMI表現(xiàn)。
圖2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)
2.2 LoRa射頻電路
LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的LoRa收發(fā)芯片SX1268，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其內(nèi)部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa調(diào)制下，接收靈敏度上限可達(dá)-148dBm；同時(shí)集成了功率放大器（PA），其發(fā)射功率上限可達(dá)+22dBm。SX1268具有2種調(diào)制方式，分別為FSK和LoRa；2種供電方式，分別為低壓差現(xiàn)行穩(wěn)壓器（LDO）和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)其工作在DC-DC方式下，其接收低電流信號(hào)可達(dá)4.2mA，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際意義的低功耗。SX1268通過SPI接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
圖3 SX1268內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
LoRa射頻電路如圖4所示，SX1268工作在內(nèi)部DC-DC供電方式下，由于SX1268為半雙工工作方式，所以電路中采用視頻模擬開關(guān)PE4259進(jìn)行射頻電路的切換。PE4259有2種工作方式，1是單引腳控制，其實(shí)現(xiàn)方法是第6腳接電源，如第4腳接高電平，則將RFC切換給RF1；如第4腳接電平，則將RFC切換給RF2。PE4259的第2種工作方式是第6腳給低電平，第4腳給高電平，則將RFC切換給RF1；第6腳給高電平，第4腳給低電平，則將RFC切換給RF2。SX1268的DIO2引腳為多功能引腳，可將其功能配置為收發(fā)控制，這樣DIO2直接與PE4259的第4腳相連即可。微控制器控制PE4259的第6腳，其功能是天線開關(guān)（ATN_SW），當(dāng)?shù)?腳給高電平，打開天線，此時(shí)SX1268可通過DIO2直接控制射頻收發(fā)；當(dāng)?shù)?腳給低電平時(shí)，關(guān)閉天線，以達(dá)到降低功耗的目的。
圖4 LoRa射頻電路
2.3 微控制器電路
微控制器電路用于接收LoRa射頻電路采集的傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，并將其轉(zhuǎn)換為專用格式通過以太網(wǎng)電路傳遞給中心服務(wù)器。微控制器電路核心芯片選擇ST公司的超低功耗單片機(jī)STM32L053R8T6，其有7種低功耗模式，分別為：Sleep mode（睡眠模式）、Low-power run mode（低功耗運(yùn)行模式）、Low-power sleep mode（低功耗睡眠模式）、Stop mode with RTC（帶有RTC的停止模式）、Stop mode without RTC（不帶RTC的停止模式）、Standby mode with RTC（帶有RTC的旁路模式）、Standby mode without RTC（不帶RTC的旁路模式），其具體功耗數(shù)值見表1。
表1 STM32L053R8T6低功耗模式電流
STM32L053R8T6的Stop模式分為2種，一種是啟動(dòng)內(nèi)部RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）電路，另一種是不啟動(dòng)內(nèi)部RTC。當(dāng)芯片運(yùn)行于Stop模式是，具有喚醒功能的外設(shè)，會(huì)在條件滿足時(shí)，啟動(dòng)HISRC時(shí)鐘，并且任何外部中斷都可以在3.5us的時(shí)間內(nèi)喚醒期間，處理器可以進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行相應(yīng)的處理，所以論文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)微控制器在低功耗時(shí)，運(yùn)行于Stop模式。
微控制器電路如圖5所示，主芯片STM32L053R8T6的時(shí)鐘，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其頻率為12MHz；電阻R1下拉，用于選擇啟動(dòng)模式為內(nèi)部Flash。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于復(fù)位電路除采用阻容復(fù)位外，額外焊接外部看門狗復(fù)位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過SPI接口與LoRa射頻電路和以太網(wǎng)電路通信。
2.4 以太網(wǎng)電路
W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部集成硬件TCP/IP協(xié)議棧，10/100M自適應(yīng)的MAC層和PHY層，可使電路通過單芯片擴(kuò)展以太網(wǎng)硬件鏈接。W5500使用SPI接口與微控制器進(jìn)行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議，內(nèi)部集成32字節(jié)buffer用于處理和解析以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。W5500使用Socket進(jìn)行以太網(wǎng)通訊設(shè)計(jì)，內(nèi)部可同時(shí)使用8個(gè)硬件Socket進(jìn)行通訊。
以太網(wǎng)電路如圖6所示，W5500使用硬件SPI與微控制器進(jìn)行通信，由CS、SCK、MOSI和MISO4路信號(hào)構(gòu)成，W5500工作于從機(jī)模式。電路使用低溫漂25M晶振為W5500提供時(shí)鐘，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進(jìn)行數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的隔離。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信號(hào)與以太網(wǎng)接口電路通信。
2.5 以太網(wǎng)接口電路
以太網(wǎng)接口電路如圖7所示，其接口采用內(nèi)部自帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ46接口HR91105A，TXN/TXP差分對(duì)與HR91105A的1腳和2腳相連接，RXN/RXP差分對(duì)與HR91105A的3腳和6腳相連接，4腳和5腳為網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭，9腳和10腳為綠色指示燈，11腳和12腳為綠色指示燈。
參考文獻(xiàn)：
[1]NIE Zhou.The impact of communication technologies on social structure-take the example of smart city[J].Journal of Shanxi University of Finance and Economics,2016(s2):137-144.
[2]張皓.計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(22):10.
[3]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全（產(chǎn)品報(bào)價(jià)手冊(cè)）.2023.01版
[4]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.
|
