基于物聯(lián)網(wǎng)的冷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 錚，陳佳品

（1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海201306；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

近年來(lái)，如何高效、準(zhǔn)確和可靠對(duì)冷鏈儲(chǔ)運(yùn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外冷鏈物流系統(tǒng)中的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其內(nèi)涵在于無(wú)處不在的數(shù)據(jù)采集、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和信息處理以及智能化的信息應(yīng)用[4-6]。然而目前物聯(lián)網(wǎng)在面向果蔬、水產(chǎn)品等含水量較高的冷鏈監(jiān)測(cè)應(yīng)用中面臨諸多障礙和挑戰(zhàn)[7-9]；如節(jié)點(diǎn)電池壽命不足，通信距離有限，對(duì)于高含水量的生鮮食品儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境，2.4 GHz無(wú)線信號(hào)衰減嚴(yán)重等。

文中針對(duì)冷鏈監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)[10]，采用超低功耗ARM處理器STM32L051K8和基于LoRa技術(shù)的無(wú)線通信方案[11-13]，在盡可能降低無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)功耗的同時(shí)，提供了長(zhǎng)距離通信保證，從而提高了冷鏈無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能效性、可靠性和抗干擾性。本文給出了的基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案，其完全滿足冷鏈過(guò)程全面監(jiān)測(cè)的需求，為推動(dòng)冷鏈物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了一種新思路，具有一定的實(shí)踐意義。

1 系統(tǒng)原理與架構(gòu)

對(duì)于冷鏈監(jiān)測(cè)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)通常被置于包裝箱內(nèi)，被高含水量的生鮮食品包圍；在該環(huán)境下，基于Zigbee的2.4 GHz無(wú)線信號(hào)衰減嚴(yán)重，大大影響通信距離，甚至低于0.5 m，導(dǎo)致無(wú)線通信異常，丟包率很高。實(shí)驗(yàn)表明，在含水量較高的環(huán)境下，當(dāng)發(fā)射功率相同時(shí)，更低的無(wú)線通信頻率，無(wú)線信號(hào)具有更遠(yuǎn)的傳輸距離，433 MHz無(wú)線頻段更適用于含水量較高的生鮮食品冷鏈監(jiān)測(cè)[14]。

LoRa是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種1 GHz以下超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案[11]。它改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

因此，文中采用基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行冷鏈監(jiān)測(cè)。LoRa技術(shù)采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，其接收靈敏度達(dá)到了驚人的-148 dbm，從而在同等的功耗下取得更遠(yuǎn)的無(wú)線通信距離。充足的鏈路預(yù)算，使其無(wú)線通信距離理論上可達(dá)10千米以上。由于無(wú)線傳輸距離增加，可以大幅減少中繼節(jié)點(diǎn)的使用，簡(jiǎn)化了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括LoRa終端節(jié)點(diǎn)、LoRa網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)信息中心3部分。其中，LoRa終端節(jié)點(diǎn)與LoRa網(wǎng)關(guān)組成星形拓?fù)浼軜?gòu)，LoRa終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電，通過(guò)溫濕度傳感器精確感知環(huán)境量變化，并周期性地上傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；LoRa網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，并通過(guò)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控信息中心。

433 MHz的LoRa無(wú)線通信技術(shù)在高濕度的冷藏車內(nèi)部具有較強(qiáng)的穿透性，和較遠(yuǎn)的無(wú)線傳輸距離；使得部署在車廂內(nèi)部的包裝或托盤(pán)上所有LoRa終端節(jié)點(diǎn)可以與車廂內(nèi)或主要交通出入口處部署的LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信，而不需要中繼或路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；與基于Zigbee技術(shù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，它是具有最低延遲的最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，消除了同步開(kāi)銷和路由轉(zhuǎn)發(fā)，LoRa終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期才被喚醒，不需要空閑偵聽(tīng)，因而降低了LoRa節(jié)點(diǎn)的功耗，大大延長(zhǎng)了LoRa無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。

2 硬件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)可直接使用Semtech公司基于SX1301芯片開(kāi)發(fā)的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。因此本文硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是LoRa終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，LoRa終端節(jié)點(diǎn)作為感知單元一般采用電池供電；因此LoRa節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)做微型化，超低功耗設(shè)計(jì)，且模塊回收電池充電后可重復(fù)使用。

LoRa終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)包括電源、MCU及其接口電路、射頻單元、傳感單元等，下面分別進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源部分應(yīng)具有鋰電池充電，線性穩(wěn)壓等功能，其電路原理圖如圖2所示。bq21040是一顆高度集成鋰離子和鋰聚合物線性電池充電器，采用小尺寸晶體管SOT-23封裝，通過(guò)外部電阻R1編程設(shè)定的充電電流最高可達(dá)800 mA，可通過(guò)5 V直流輸入快速為4.2 V鋰電池充電。

圖2 電源電路

S-1206是基于CMOS技術(shù)的超低消耗電流、低壓差、高精度輸出電壓、250 mA輸出電流的正電壓型電壓穩(wěn)壓器。本系統(tǒng)采用3.3 V電壓輸出。其輸入輸出電容器微小，只有0.1 μF，且可以在超低的消耗電流（1.0 μA）條件下工作；因內(nèi)置低導(dǎo)通電阻晶體管，故輸入輸出電壓差小，僅150 mV；這使得鋰電池放電至輸出3.6 V時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作，從而有效地提高了LoRa終端節(jié)點(diǎn)的工作壽命。

2.2 MCU單元

MCU單元采用意法半導(dǎo)體超低功耗STM32L系列[15]的 STM32L051K8，LQFP32封裝，32 MHz運(yùn)行模式下電流僅為 139 μA/MHz，優(yōu)化模式為 7 μA/MHz，具有全RAM數(shù)據(jù)保存和低功耗定時(shí)計(jì)數(shù)器功能的停止模式，電流僅440 nA；3.5 μs喚醒時(shí)間；其I/O接口與引腳分配如圖3所示，可規(guī)劃出2個(gè)USART，1個(gè)I2C，1個(gè)SPI和若干I/O控制端口，方便與傳感器和射頻單元進(jìn)行連接控制；完全滿足模塊微型化，超低功耗的設(shè)計(jì)需求。芯片內(nèi)置64 k字節(jié)FLASH，8 k字節(jié)SRAM，可運(yùn)行在32 MHz，其性能完全滿足LoRa無(wú)線通信協(xié)議運(yùn)行的需求。

圖3 MCU單元

2.3 射頻單元

射頻單元采用Semtech公司的SX1278器件，該器件采用了LoRa TM擴(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù)，其通信距離，接收靈敏度都遠(yuǎn)超現(xiàn)在的FSK、GFSK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)-148 dbm的高靈敏度，且多個(gè)傳輸?shù)男盘?hào)占用同一個(gè)信道而不受影響，具有高抗干擾性和最大限度的減小電流功耗。其發(fā)射功率+13 dBm時(shí)，電流僅29 mA；接收電流低，典型值11 mA，休眠電流僅0.2 μA。SX1278與MCU通過(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖4所示。SX1278的DIO0引腳可通過(guò)配置指示無(wú)線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送完成狀態(tài)，該引腳與MCU的中斷輸入引腳連接。當(dāng)SX1278有接收數(shù)據(jù)時(shí)，該引腳拉低，MCU進(jìn)行接收中斷處理。

圖4 射頻單元SPI接口

SX1278的433Mhz射頻電路如圖5所示，RFI_LF為433 MHz射頻輸入引腳，RFO_LF為433 MHz射頻輸出引腳，VR_PA為用于PA功放的穩(wěn)壓電源腳。SX1278配備了不同的射頻功率放大器，其中射頻輸出引腳RFO_LF連接的內(nèi)部功放可支持+7 dBm，+13 dBm輸出；如獲得高功率輸出，則需把PA_BOOST腳作為射頻輸出，RFO_LF腳懸空；此時(shí)與PA_BOOST引腳連接的內(nèi)置功放，通過(guò)外部匹配網(wǎng)絡(luò)輸出功率高達(dá)+17 dBm或+20 dBm。

圖5 射頻電路

本設(shè)計(jì)采用0 Ω電阻作為輸出跳線選擇，如需要更大的發(fā)射功率，更遠(yuǎn)的傳輸距離，可焊上R12，接通PA_BOOST；如需要更長(zhǎng)的使用壽命，可焊上R13，接通RFO_LF，節(jié)省電池能量。

圖6 射頻通道切換

PE4259為射頻開(kāi)關(guān)，控制SX1278射頻收發(fā)的微波信號(hào)通道切換。射頻收發(fā)的切換控制既可由SX1278的RXTX/RF_MOD腳控制，也可由MCU的I/O控制，本系統(tǒng)采用RXTX/RF_MOD腳控制，通過(guò)R15連接PE4259的ctrl引腳。

2.4 傳感單元

傳感單元測(cè)量溫濕度數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用Sensirion全新一代數(shù)字式高精度溫濕度傳感器SHT21[16]，該芯片除了配有電容式相對(duì)濕度傳感器和能隙溫度傳感器外，還包含一個(gè)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元。采用I2C接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖7所示。其功耗為:1.5 μW（8位測(cè)量，1次/秒），濕度范圍為0-100%RH，精度±2%RH；溫度范圍為-40～+125℃，精度±0.3℃，該性能完全滿足低功耗監(jiān)測(cè)的需求。

圖7 溫濕度傳感器

SHT21的電源與接地之間須連接一個(gè)100 nF的退耦電容，用于濾波；I2C接口的SDA和SCL引腳須接外部上拉電阻，以驅(qū)動(dòng)總線。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基于star-of-stars拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具備最基本的Class A類功能。Class A類設(shè)備提供雙向通信，上行鏈路為終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)，下行鏈路為網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給終端節(jié)點(diǎn)，其中主要的通信量是從終端節(jié)點(diǎn)到無(wú)線網(wǎng)關(guān)的上行鏈路。

對(duì)于Class A類設(shè)備，網(wǎng)關(guān)不能進(jìn)行主動(dòng)的下行鏈路發(fā)送。首先由終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上行鏈路傳輸，然后會(huì)跟隨兩次很短的下行鏈路接收窗口。傳輸時(shí)隙由終端設(shè)備調(diào)度，基于其自身的通信量需求，并有一個(gè)基于隨機(jī)時(shí)基的微小變化，因此A類終端最省電。

其收發(fā)時(shí)序如圖8所示，要點(diǎn)如下：

圖8 終端節(jié)點(diǎn)接收時(shí)隙時(shí)序

1）每個(gè)上行鏈路傳輸后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)緊接著開(kāi)放兩個(gè)短接收窗口。接收窗口開(kāi)始時(shí)間是傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)上行數(shù)據(jù)位末尾。

2）第一個(gè)接收窗口RX1和上行鏈路使用同一個(gè)頻率信道，并且數(shù)據(jù)率和上行鏈路所使用數(shù)據(jù)率的一致。在上行發(fā)送結(jié)束RX1開(kāi)放，持續(xù)時(shí)間為RECEIVE_DELAY11s（正負(fù) 20 μs誤差）。

3）第二個(gè)接收窗口RX2使用固定配置頻率和數(shù)據(jù)率。當(dāng)上行鏈路發(fā)送結(jié)束后接收窗開(kāi)放RECEIVE_DELAY21s（正負(fù)20 μs誤差）的時(shí)長(zhǎng)。

4）接收窗口長(zhǎng)度必須至少是終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線收發(fā)器有效地檢測(cè)到一個(gè)下行前導(dǎo)所需要的最小時(shí)間。

5）如果任意一個(gè)接收窗口中檢測(cè)到前導(dǎo)，射頻接收器將保持活性直到下行鏈路數(shù)據(jù)幀被接收。當(dāng)在第一接收窗口檢測(cè)到一個(gè)幀并接收時(shí)，如果在地址及消息完整性代碼檢測(cè)后確認(rèn)該幀是給本終端節(jié)點(diǎn)的幀，則終端節(jié)點(diǎn)則不會(huì)再打開(kāi)第二接收窗口。

6）如果網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備向終端節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)下行鏈路，他通常會(huì)在兩個(gè)窗口的任意一個(gè)窗口的開(kāi)始時(shí)間準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸。

7）一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在先前傳輸?shù)牡谝粋€(gè)或第二個(gè)接收窗口接收完下行數(shù)據(jù)之前，或者先前傳輸?shù)牡诙€(gè)接收窗口過(guò)期之前，不再發(fā)送上行鏈路數(shù)據(jù)。

冷鏈監(jiān)測(cè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，例如終端節(jié)點(diǎn)5分鐘采集一次數(shù)據(jù)上傳，每個(gè)數(shù)據(jù)幀16字節(jié)，則100節(jié)點(diǎn)每小時(shí)上傳19.2 k字節(jié)數(shù)據(jù)。因此采用最基本的LoRaWAN Class A功能就能滿足冷鏈監(jiān)測(cè)的性能要求，且能最大限度地節(jié)省電池能量。

4 結(jié) 論

文中提出了基于LoRa技術(shù)的生鮮食品物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)方案，給出了LoRa節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案，和LoRa無(wú)線通信協(xié)議的主要流程。本研究對(duì)于冷鏈信息化具有一定的實(shí)踐意義。下一步將對(duì)LoRa通信協(xié)議進(jìn)行深入研究和優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提高無(wú)線通信的能效性和可靠性。

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