面向船舶舱室的LoRa的无线传感网关的设计
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摘 要：随着物联网时代的来临，各大厂商争相投入巨大的财力和精力于物联网的各个产业，由此促进了物联网行业近几年飞速的发展。传统的无线通信技术如ZigBee、WIFI在某些应用场合下已经无法满足当前的需求，为满足应用的需要，出现了一些新的网络通信技术，如LoRa、NB-IOT等，它们针对不同的应用展现出独特的优势。本文简要分析LoRa技术及其协议的特点，然后简述它们在船舶方面应用的优势，并设计了以Cortex-A系列的主控芯片为核心，包括lcd显示模块和触摸屏、LoRa模块等设备的网关，从而实现具有LoRa通信、以太网通信、实时显示、参数查询与设定等功能，具有一定的现实意义。
关键词：物联网;船舶;LoRa
1 背景及意义
船舶为了实现对装置的监视、控制与保护，需要设置大量的传感器。远传仪表都是通过船用电缆、光缆等与二次仪表或其他上层设备实现信号的传输。由于电缆数量大、施工环境差，电缆端接中也易出现漏接、虚接、错接等问题，加大了后期电缆连接正确性排查的工作量。将无线传感器应用于船舶能够大大增强传感器布置的灵活性、大幅减少船舶建造过程中的电缆敷设和端接工作量。无线LoRa技术具有抗干扰[1]、远距离[2]、低成本等特点，应用在船舶无线通信领域是一个较好的技术选择。在船舶中对设备部署无线传感器，开发一种稳定且可靠的LoRa网关，对智慧船舶物联网的发展具有重要的意义。
2 系统总体设计
智慧船舶物联网主要由无线传感器节点（主要用于测量温度）、无线网关、上位机三部分组成。网关与节点采用星型组分组组网模式，网关与上位机之间采用以太网通信。单组网关带有20个节点，每个节点分布于每个舱室的特定位置。节点采集温度数据，通过LoRa将数据发送给网关，网关将收到的数据解析并封装后通过以太网上报给监控界面。
3 硬件设计
嵌入式网关硬件平台主要是由ARM处理器为控制核心，加上无线LoRa模块、Flash存储芯片、EEROM、RTC芯片等外设组成，用于实现网关与下层节点及上层服务器的通信。
从ARMv7架构的芯片开始，根据不同的应用领域，将芯片分为Cortex-M、Cortex-A、Cortex-R三个系列[3]。三种系列中Cortex-A拥有强大的计算能力，具有较高的性价比，因此选择Cortex-A系列芯片，在Cortex-A系列芯片中，A17芯片相对于其他A系列芯片来说，性能较高，因此主控芯片选用基于Cortex-A17的RK3288芯片作为核心处理器的瑞芯微RK3288的开发板。此开发板是基于ARM Cortex-A17四核的微控制器，支持RTC时钟实时保存;支持千兆有线以太网RTL8211E;支持多种SPI，I2C，UART，等外围器件扩展。LoRa模块选用semtech生产的SX1301模块[4]，SX1301数字基带芯片是一款海量数字信号处理引擎，专为在全球ISM频段提供突破性网关功能而设计。
4 软件设计
4.1 网关软件设计
LoRa网关作为网络传输的重要环节，是对下层节点信息的收集与上层命令的接收的重要设备，因此对网关软件的设计至关重要。网关工作的总体流程图如右图所示。
网关工作流程图
4.2 网关与节点的通信
节点与LoRa网关的通信采用LoRawan协议，节点通过将采集的温度数据组织成数据包，然后送入MAC层形成数据帧，最后经过LoRa调制发送数据给网关。
4.3 网关与上位机的通信
无线网关在正式开始通信前需要向上位机申请入网，当入网成功后，上位机将通过响应消息提供设备地址给相关的无线网关，然后就可以正式开始通信，通信时，采取轮询方式，由上位机逐个询问各个无线网关，采集相关数据，当上位机多次询问某个无线网关，没有接收相应的响应报文。则认为该无线网关处于离线状态，再次通信之前，该无线网关需要重新申请入网。
5 结语
本文提出的面向船舶舱室的LoRa的无线传感网关样机可以通过上位机或者开发板自带的液晶屏登录系统，查看网关与节点及上位机的数据接收与发送状态，设置数据的接收与发送功能。通过测试，结果表明数据传输可靠高效，功耗较低，抗干扰能力较强，具有较大的现实意义。
参考文献：
[1]杨欢，李红信.一种采用LoRa技術的智能水表设计[J].无线电工程，2017，47（12）：75-78.
[2]王灿，王中华，王冬雪，等.基于LoRa的智能灌溉系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（8）：217-221.
[3]刘振东.基于ARM的嵌入式软硬件系统设计与实现[J].信息记录材料，2018，19（4）.
[4]李达，杨祯，刘辉席，张丽，刘守印.嵌入式Linux的LoRaWAN集成网关系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（07）：10-14.
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