面向船舶艙室的LoRa的無線傳感網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

肖揚(yáng)

摘?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來臨，各大廠商爭相投入巨大的財(cái)力和精力于物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)產(chǎn)業(yè)，由此促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)近幾年飛速的發(fā)展。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)如ZigBee、WIFI在某些應(yīng)用場合下已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的需求，為滿足應(yīng)用的需要，出現(xiàn)了一些新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，如LoRa、NB-IOT等，它們針對不同的應(yīng)用展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。本文簡要分析LoRa技術(shù)及其協(xié)議的特點(diǎn)，然后簡述它們在船舶方面應(yīng)用的優(yōu)勢，并設(shè)計(jì)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(shè)備的網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)具有LoRa通信、以太網(wǎng)通信、實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)查詢與設(shè)定等功能，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);船舶;LoRa

1?背景及意義

船舶為了實(shí)現(xiàn)對裝置的監(jiān)視、控制與保護(hù)，需要設(shè)置大量的傳感器。遠(yuǎn)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(shè)備實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。由于電纜數(shù)量大、施工環(huán)境差，電纜端接中也易出現(xiàn)漏接、虛接、錯(cuò)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(yīng)用于船舶能夠大大增強(qiáng)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(shè)和端接工作量。無線LoRa技術(shù)具有抗干擾[1]、遠(yuǎn)距離[2]、低成本等特點(diǎn)，應(yīng)用在船舶無線通信領(lǐng)域是一個(gè)較好的技術(shù)選擇。在船舶中對設(shè)備部署無線傳感器，開發(fā)一種穩(wěn)定且可靠的LoRa網(wǎng)關(guān)，對智慧船舶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義。

2?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧船舶物聯(lián)網(wǎng)主要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)（主要用于測量溫度）、無線網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)三部分組成。網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)采用星型組分組組網(wǎng)模式，網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信。單組網(wǎng)關(guān)帶有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分布于每個(gè)艙室的特定位置。節(jié)點(diǎn)采集溫度數(shù)據(jù)，通過LoRa將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)解析并封裝后通過以太網(wǎng)上報(bào)給監(jiān)控界面。

3?硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)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(shè)組成，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與下層節(jié)點(diǎn)及上層服務(wù)器的通信。

從ARMv7架構(gòu)的芯片開始，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，將芯片分為Cortex-M、Cortex-A、Cortex-R三個(gè)系列[3]。三種系列中Cortex-A擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，具有較高的性價(jià)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(fā)板。此開發(fā)板是基于ARM?Cortex-A17四核的微控制器，支持RTC時(shí)鐘實(shí)時(shí)保存;支持千兆有線以太網(wǎng)RTL8211E;支持多種SPI，I2C，UART，等外圍器件擴(kuò)展。LoRa模塊選用semtech生產(chǎn)的SX1301模塊[4]，SX1301數(shù)字基帶芯片是一款海量數(shù)字信號處理引擎，專為在全球ISM頻段提供突破性網(wǎng)關(guān)功能而設(shè)計(jì)。

4?軟件設(shè)計(jì)

4.1?網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，是對下層節(jié)點(diǎn)信息的收集與上層命令的接收的重要設(shè)備，因此對網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。網(wǎng)關(guān)工作的總體流程圖如右圖所示。

網(wǎng)關(guān)工作流程圖

4.2?網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)的通信

節(jié)點(diǎn)與LoRa網(wǎng)關(guān)的通信采用LoRawan協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過將采集的溫度數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)包，然后送入MAC層形成數(shù)據(jù)幀，最后經(jīng)過LoRa調(diào)制發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)。

4.3?網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)的通信

無線網(wǎng)關(guān)在正式開始通信前需要向上位機(jī)申請入網(wǎng)，當(dāng)入網(wǎng)成功后，上位機(jī)將通過響應(yīng)消息提供設(shè)備地址給相關(guān)的無線網(wǎng)關(guān)，然后就可以正式開始通信，通信時(shí)，采取輪詢方式，由上位機(jī)逐個(gè)詢問各個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)上位機(jī)多次詢問某個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，沒有接收相應(yīng)的響應(yīng)報(bào)文。則認(rèn)為該無線網(wǎng)關(guān)處于離線狀態(tài)，再次通信之前，該無線網(wǎng)關(guān)需要重新申請入網(wǎng)。

5?結(jié)語

本文提出的面向船舶艙室的LoRa的無線傳感網(wǎng)關(guān)樣機(jī)可以通過上位機(jī)或者開發(fā)板自帶的液晶屏登錄系統(tǒng)，查看網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送狀態(tài)，設(shè)置數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送功能。通過測試，結(jié)果表明數(shù)據(jù)傳輸可靠高效，功耗較低，抗干擾能力較強(qiáng)，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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