基于LoRa和NB-IoT的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網關設計

王東 楊杰

摘要：溫室大棚環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)在使用WiFi，Bluetooth，GPRS，ZigBee，4G等通信技術時，要么存在通信距離短，要么存在功耗高的缺點，而LoRa和NB-IoT剛好解決了這一看似矛盾的問題。文章應用LoRa和NB-IoT無線通信技術，設計了溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網關，實現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)采集終端上報的數(shù)據(jù)并轉發(fā)到OceanConnect物聯(lián)網平臺，推送到應用服務器，并詳細介紹了網關的軟硬件設計。通過對這兩種無線通信技術的組合，在一定范圍和特定場景下能夠降低無線通信的功耗和費用，具有一定的實用價值。

關鍵詞：溫室大棚；LoRa；NB-IoT；無線通信；數(shù)據(jù)采集模塊；云平臺

中圖分類號：TP277文獻標志碼：A

0 引言

目前，物聯(lián)網無線通信主要采用WiFi，Bluetooth，GPRS，ZigBee，4G等通信技術，這些通信技術要么存在通信距離短，要么存在功耗高的缺點［1-3］。而LoRa和NB-IoT剛好解決了這一看似矛盾的問題，既能進行遠距離通信，又解決了低功耗。LoRa網絡無后期網絡運行費用，但無法直接連接到互聯(lián)網，而NB-IoT雖然能通過核心網連接到互聯(lián)網，但是需要后期運行費用。本文結合LoRa和NB-IoT各自的優(yōu)勢設計了用于溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網關，該網關能夠在對供電和成本要求嚴格、數(shù)據(jù)量小的應用場合具有較好的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構如圖1所示，數(shù)據(jù)采集模塊由MCU、LoRa模塊及用于環(huán)境參數(shù)檢測的傳感器構成，負責將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到由MCU、LoRa模塊和NB-IoT模塊構成的網關，再由網關將數(shù)據(jù)經核心網轉發(fā)到華為的OceanConnect物聯(lián)網平臺［4］，并推送至應用服務器進行解析和儲存，供用戶查詢和使用。

2 網關硬件電路設計

網關模塊主要負責與各數(shù)據(jù)采集模塊進行通信，接收由數(shù)據(jù)采集模塊上報的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊轉發(fā)到云端，供管理人員查看。網關模塊主要包括電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、LoRa通信模塊以及NB-IoT通信模塊。

2.1 電源選擇

本網關模塊在進行LoRa通信和NB-IoT模塊發(fā)射時功耗最大，但LoRa和NB-IoT并不同時通信。根據(jù)ATK-LoRa-01的技術參數(shù)，LoRa模塊供電電壓為3.3 V～5 V，最大電流為118 mA（可調）；NB-IoT模塊供電電壓為3.1 V～4.2 V，射頻發(fā)射狀態(tài)最大為250 mA；MCU選擇STC8A8K64S4A12芯片，該芯片供電電壓為2.0 V～5.5 V。故電源選擇ER26500型電池，8 500 mAH電量，電壓3.6 V，最大能提供300 mA的電流，完全能夠滿足系統(tǒng)的電源要求。同時為了方便電路調試，本文設計了USB供電和USB轉TTL模塊，其電路如圖2所示。當不需要該部分時，只需要斷開SW4或此部分電路不焊接，將電池接入VCC即可。

2.2 單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)選擇的MCU為STC8A8K64S4A12，無需外部復位和晶振電路，接入電源即可工作，提供IDEL和STOP兩種低功耗模式，最低可降至0.1 μA，具有4個串口。其中，串口1用于MCU的程序更新下載和調試使用，串口2用于與NB-IoT模塊通信，串口3用于與LoRa模塊通信，電路如圖3所示。

2.3 LoRa通信模塊

為了使系統(tǒng)功耗低、傳輸距離遠，本文選擇了正點原子ATK-LoRa-01模塊，該模塊是基于SX1278設計開發(fā)的LoRa擴頻傳輸模塊，工作頻率410～441 MHz，傳輸距離大于3 000 m，待機功耗2.3 μA，支持AT指令配置，3.3 V～5 V供電，工作電流2.3 μA～118 mA。通過串口與單片機的串口3進行數(shù)據(jù)交換，其AUX引腳連接單片機P32，MDO引腳與單片機P07連接，用于檢測LoRa模塊的狀態(tài)以及對LoRa模塊進行控制。

2.4 NB-IoT模塊主要電路設計

與互聯(lián)網連接的模塊選擇NB-IoT通信，模塊選擇移遠BC35-G。該模塊是一款高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，PSM下最大電流5 μA，射頻發(fā)射狀態(tài)最大250 mA，接收狀態(tài)50 mA，供電電壓3.1 V～4.2 V。

BC35-G模塊包含一個 USIM 接口，支持 3GPP 規(guī)范的功能，并通過模塊內部的電源供電，支持 1.8/3.0V 供電。根據(jù)BC35-G硬件設計手冊進行電路設計，但要注意外部 USIM 卡座要靠近模塊擺放，同時，外部 USIM 卡信號線布線遠離 RF 走線和 VBAT 電源線，外部 USIM 卡座的地與模塊的 USIM_GND 布線要短而粗。在外部 USIM 卡的引腳增加了TVS 管確保良好的 ESD 防護性能。為了更好地調節(jié)射頻性能，本文設計了π形匹配電路，且電路元件盡量靠近天線放置。在和MCU的串口連接線路中，需要串聯(lián)一個1 kΩ的電阻，以防止漏電，增加功耗，BC35-G模塊主要接口電路和最終制作的網關電路板實物如圖4所示。

3 軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)架構可知，網關與互聯(lián)網通信使用NB-IoT通信，網關與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信采用LoRa通信。本網關模塊選擇使用NB-IoT設計的目的在于其低功耗以及多個數(shù)據(jù)采集終端共用資費以節(jié)省通信費用，故同一個網關模塊所連接的數(shù)據(jù)采集終端數(shù)量不會很多，設定為最大16個，而上傳數(shù)據(jù)的頻率也不高，只是在給定的時間間隔點上由數(shù)據(jù)采集模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)上傳，網關與各數(shù)據(jù)采集模塊之間的LoRa通信采用輪詢的方式進行，網關需要提前設置好數(shù)據(jù)采集模塊的地址，因此需要提前在應用服務器上配置好每個網關下數(shù)據(jù)采集模塊的地址列表。又由于同一個網關會上傳多個數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，而OceanConnect需要根據(jù)配置的解碼插件對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，所以數(shù)據(jù)中必須包含數(shù)據(jù)采集模塊的地址，故設計網關向服務器上傳數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示。

若網關地址不為0，終端地址為0，代表數(shù)據(jù)為網關發(fā)送；若數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)為全0，則表示向服務器請求終端地址列表。

服務器接收到網關請求數(shù)據(jù)采集模塊地址列表時，下發(fā)數(shù)據(jù)僅為終端地址列表數(shù)據(jù)，其通信數(shù)據(jù)格式如表2所示。

網關和數(shù)據(jù)采集模塊之間采用定向傳輸，網關向服務器獲取到數(shù)據(jù)采集模塊地址列表和通信信道后，根據(jù)既定的規(guī)則對數(shù)據(jù)采集模塊進行輪詢，網關向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送信息的數(shù)據(jù)格式如表3所示。

數(shù)據(jù)采集模塊被網關喚醒后，立即采集相關傳感器的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)包，上傳到網關，其數(shù)據(jù)格式如表4所示。

系統(tǒng)通電時，首先初始化NB-IoT模塊和LoRa模塊，然后通過NB-IoT模塊向服務器請求數(shù)據(jù)采集模塊地址列表，將LoRa模塊設置成喚醒模式，按既定規(guī)則發(fā)送命令喚醒數(shù)據(jù)采集模塊上傳數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)接收后，將LoRa模塊設置成省電模式，并將收到的數(shù)據(jù)打包上傳到服務器，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，整個網關所有模塊進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省功耗，然后等待下一次通信。網關固件流程如圖5所示。

4 服務器軟件開發(fā)

服務器端主要分為兩部分：一是OceanConnect物聯(lián)網平臺的設置；二是應用服務器軟件開發(fā)。

OceanConnect物聯(lián)網平臺的設置主要是根據(jù)網關向服務器上傳數(shù)據(jù)的通信數(shù)據(jù)格式，進行Profile定義、編解碼插件開發(fā)以及設置數(shù)據(jù)推送服務。

應用服務器軟件開發(fā)主要包括接收由OceanConnect物聯(lián)網平臺推送的JSON數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析和儲存，供用戶進行查詢。應用服務器軟件主要使用ASP.NET開發(fā)WebAPI接口，在POST接口中接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析和存儲，當接收到網關請求數(shù)據(jù)采集終端的地址時，則可以根據(jù)設置好的數(shù)據(jù)采集模塊地址列表數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)包，利用NB-IoT模塊上傳數(shù)據(jù)后的eDRX窗口下發(fā)預先設置好的地址列表數(shù)據(jù)。

5 結語

利用LoRa和NB-IoT無線通信技術設計無線網關，用于野外數(shù)據(jù)采集等場合的無線通信，能夠較好地利用各自的優(yōu)勢，在一定范圍和特定的場景下降低無線通信的功耗和費用，較其他通信模塊有更廣的適應范圍。

參考文獻

［1］金恩曼，陳培余.一種智能大棚的溫濕度檢測系統(tǒng)［J］.數(shù)字技術與應用，2019（7）：85-87.

［2］蔣震，王箏，曹中強，等.基于NB-IoT的溫濕度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.信息化研究，2018（6）：63-69.

［3］冀汶莉，王佳豪，王新偉.基于LoRa的農業(yè)大田土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.無線電工程，2023（2）：456-464.

［4］賈婷，安璐，廖明，等.基于STM32的鐵路運輸站內NB-IoT可視化云BAS系統(tǒng)設計［J］.計算機測量與控制，2022（4）：209-215.

（編輯 王雪芬）