博物馆微环境监测智能网关设计与实现.docx

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博物馆微环境监测智能网关设计与实现

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摘要：十一五期间，文物系统针对博物馆特殊环境开展了基于洁净、稳定的微环境调控研究。对博物馆现有的微环境监测终端进行了研究，提出了一种以LoRa无线通信为核心，能够远距离通信，抗干扰能力强的博物馆微环境监测智能网关。该网关能应用于博物馆的展柜、展厅等全天24小时监测场所，并创新性地实现对接入智能网关的终端地理位置进行实时定位。相信不久的将来随着物联网技术的发展，博物馆场景中各种感知技术、现代网络技术、人工智能和自动化技术实现最终的聚合和集成应用。

Key：LoRa；STM32F407；微环境监测；智能网关；

0引言

物联网应用中的无线技术，除运营商广域网的GPRS、3G/4G以外，还有局域网短距离的ZigBee、WiFi、蓝牙。虽然这些无线技术本身已经成熟，但是优缺点也都非常明显，在长距离和低功耗之间只能二选一。低功耗广域（lowpowerwidearea，LPWA）技术在这个背景下应运而生。其专为远距离、低带宽、低功耗、大量连接的物联网应用而设计。

1网关硬件设计

该网关MCU主控芯片STM32F407是基于Cortex？-M4為内核的STM32F4系列高性能微控制器。其采用了90纳米的NVM非易失存储器（non-volatilememory，NVM）工艺和自适应实时存储器加速器（adaptivereal-timememoryaccelerator，ART）。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortex？-M4的性能发挥到了极致。该芯片集成了单周期数字信号处理（digitalsignalprocessing，DSP）指令和浮点单元（floatingpointunit，FPU），提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。在功效方面，该芯片支持动态功耗调整功能，能够在运行模式下实现低至238μA/MHz的电流消耗。网络接口支持具有符合IEEE1588v2标准要求的以太网MAC10/100。

该网管采用Semtech公司SX1278的一款工业级射频无线模块。该模块采用源自军用战术通信系统的LoRa调制技术，解决了小数据量在复杂环境中的超远距离通信问题。与传统的窄带调制技术相比，该模块采用了扩频调制技术，在抑制同频干扰的性能方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗扰和功耗的弊端。此外，该模块集成了+20dBm的可调功率放大器，并可获得-148dBm的接收灵敏度，链路预算达到了领先水平，完全满足于该终端在远距离传输和可靠性极高的设计需求。

2网关软件设计

2.1LoRaWAN总体架构

LoRaWAN总体架构如图1所示。

用户获得装置/节点数据的通信链路有下面三段：

1、节点与网关的通信链路；

2、网关与服务的通信链路；

3、服务与用户的通信链路；

LoRa联盟规定了MAC层的通信协议。只有在装置/节点共同遵守的MAC层协议的前提下，不同硬件厂商的设备才能互相接入。

而网关---服务以及服务---用户这两层的协议虽然LoRa联盟有所规范，但不同厂商之间可能会存在不同。

2.2软件流程图

上电复位是初始化所有引脚、控制器并进入就绪状态。

等待指令期间，网口进入指令接收状态，网关通过网口接收是否进入“参数设置状态”指令，等待配置工具发出指令。如果在3s内没有接收到“参数设置指令”，则认为本次不需要进入“参数设置状态”；如果收到“参数设置”指令，则立即进入参数设置状态，否则再次直接进入正常工作状态。

2.3参数设置状态

进入参数设置状态，网口处于接收状态，等待接收命令.当收到命令后进行相应命令处理。指令处理完后再次进入指令接收状态，直至接收到“参数设置完成”指令，系统复位。

2.4工作状态

进入工作状态，有两个活动对象，即无线收发器（SX1278）和网口收发器。无线收发器负责数据收发，网络同步，时间同步等；网口收发器负责周期采集传感器数据将无线节点的数据打包封装传输给服务器。

2.4.1无线收发器

在进入工作状态后，无线收发器首先依次扫描当前设置频段下所有节点MAC/IP地址。当获取节点成功后，根据该节点入网时赋予的上报时隙，设定节点的唤醒时间。如果节点上报采集数据，就按照时间节点分批次存入到Flash存储器中保存，等待网口指令打包采集数据传输给服务器。

2.4.2网口收发器

网口收发器根据网络请求指令发送各节点打包的数据到服务器。

3网关测试验证

测试系统中包含1个网关和多个温湿度、二氧化碳浓度、光照度、紫外线强度、挥发性有机化合物浓度等各种监测终端。终端分别布置于博物馆各个展厅和展柜里。网关布置在博物馆中心控制室，控制室电脑通过以太网与网关连接，读取所部署终端发送的数据报文。

经测试验证