1 LoRa技术

1.1 简介

LoRa是LPWAN（Low Power Wide Area Net work，低功耗广域网）通信技术中的一种，是美国Semtech公司研发的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。LoRa技术颠覆了过去通信技术领域中有关远距离与低功耗的传统认知。设计者采用LoRa技术完成数据通信可以兼顾远距离与低功耗的各自优点，并由于LoRa技术传输距离远，其可以大大节省额外的中继开销，使得系统部署简单，传输效率较高。目前，LoRa技术主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工业科学医疗）频段运行，主要包括433、868、915MHz等。

LoRa技术将扩频调制技术（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循环冗余码校验技术（Cyclic Redundancy Check，CRC）相结合，实现通信信号的调制解调。相对于频移监控技术（Frequency Shift Keying，FSK），LoRa技术在扩大无线通讯链路覆盖范围的同时，又提高了系统的鲁棒性。所以LoRa技术具有较强的抗干扰性，设计者通过调整扩频因子，以及带宽和编码率，就可以对LoRa网络进行优化。

1.2特点

（1）灵敏度可达-148dBm，发射功率可达22dBm；

（2）传输距离上限可达15km，建筑物密集区可覆盖2km左右的通信范围，空旷地带覆盖范围可达10km；

（3）接收是功耗低至10mA，睡眠电流为200nA，可使用电池供电，长时间工作；

（4）数据传输速率的范围是0.3kbps到50kbps，其可通过速率自适应技术动态调整数据传输速率，以均衡功耗和传输距离；

（5）使用基于信号传输时间的测距技术进行定位，其精度可达5米。

1.3 LoRa网络构成

LoRa网络构成如图1所示，由传感器节点、网关、中心服务器和移动服务组成。传感器节点与网关之间通过LoRa技术进行通信，网关与中心服务器之间可以采用有线通信方式，也可以采用4G/5G等无线通信方式，移动服务通过Internet访问中心服务器。

图1 LoRa网络构成

2 数据网关的硬件实现

2.1 总体结构

数据网关硬件设计的总体结构如图2所示，由LoRa射频电路、微控制器、以太网控制器和以太网接口电路组成。LoRa射频电路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT，用于通过无线方式采集远端的传感器数据；微控制器电路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于处理接收到的传感器数据，并进行分析和存储；以太网电路采用WIZnet公司的W5500，W5500内部集成全硬件TCP/IP协议栈并自带MAC和PHY电路，使用便捷、稳定可靠；以太网接口电路采用HanRun公司的HR91105A，其内部集成网络变压器，并具有很强的EMI表现。

图2 数据网关硬件设计的总体结构

2.2 LoRa射频电路

LoRa射频电路主芯片采用Semtech公司的LoRa收发芯片SX1268，其内部结构图如图3所示。其内部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa调制下，接收灵敏度上限可达-148dBm；同时集成了功率放大器（PA），其发射功率上限可达+22dBm。SX1268具有2种调制方式，分别为FSK和LoRa；2种供电方式，分别为低压差现行稳压器（LDO）和DC-DC电压转换器，当其工作在DC-DC方式下，其接收低电流信号可达4.2mA，可以实现实际意义的低功耗。SX1268通过SPI接口与微控制器进行数据交换。

图3 SX1268内部结构图

LoRa射频电路如图4所示，SX1268工作在内部DC-DC供电方式下，由于SX1268为半双工工作方式，所以电路中采用视频模拟开关PE4259进行射频电路的切换。PE4259有2种工作方式，1是单引脚控制，其实现方法是第6脚接电源，如第4脚接高电平，则将RFC切换给RF1；如第4脚接电平，则将RFC切换给RF2。PE4259的第2种工作方式是第6脚给低电平，第4脚给高电平，则将RFC切换给RF1；第6脚给高电平，第4脚给低电平，则将RFC切换给RF2。SX1268的DIO2引脚为多功能引脚，可将其功能配置为收发控制，这样DIO2直接与PE4259的第4脚相连即可。微控制器控制PE4259的第6脚，其功能是天线开关（ATN_SW），当第6脚给高电平，打开天线，此时SX1268可通过DIO2直接控制射频收发；当第6脚给低电平时，关闭天线，以达到降低功耗的目的。

图4 LoRa射频电路

2.3 微控制器电路

微控制器电路用于接收LoRa射频电路采集的传感器数据，并进行分析、存储，并将其转换为专用格式通过以太网电路传递给中心服务器。微控制器电路核心芯片选择ST公司的超低功耗单片机STM32L053R8T6，其有7种低功耗模式，分别为：Sleep mode（睡眠模式）、Low-power run mode（低功耗运行模式）、Low-power sleep mode（低功耗睡眠模式）、Stop mode with RTC（带有RTC的停止模式）、Stop mode without RTC（不带RTC的停止模式）、Standby mode with RTC（带有RTC的旁路模式）、Standby mode without RTC（不带RTC的旁路模式），其具体功耗数值见表1。

表1 STM32L053R8T6低功耗模式电流

STM32L053R8T6的Stop模式分为2种，一种是启动内部RTC（实时时钟）电路，另一种是不启动内部RTC。当芯片运行于Stop模式是，具有唤醒功能的外设，会在条件满足时，启动HISRC时钟，并且任何外部中断都可以在3.5us的时间内唤醒期间，处理器可以进入中断处理程序，进行相应的处理，所以论文所设计的网关微控制器在低功耗时，运行于Stop模式。

微控制器电路如图5所示，主芯片STM32L053R8T6的时钟，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其频率为12MHz；电阻R1下拉，用于选择启动模式为内部Flash。为了增强系统的可靠性，对于复位电路除采用阻容复位外，额外焊接外部看门狗复位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通过SPI接口与LoRa射频电路和以太网电路通信。

2.4 以太网电路

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，内部集成硬件TCP/IP协议栈，10/100M自适应的MAC层和PHY层，可使电路通过单芯片扩展以太网硬件链接。W5500使用SPI接口与微控制器进行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE协议，内部集成32字节buffer用于处理和解析以太网数据包。W5500使用Socket进行以太网通讯设计，内部可同时使用8个硬件Socket进行通讯。

以太网电路如图6所示，W5500使用硬件SPI与微控制器进行通信，由CS、SCK、MOSI和MISO4路信号构成，W5500工作于从机模式。电路使用低温漂25M晶振为W5500提供时钟，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T进行数字信号与模拟信号的隔离。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信号与以太网接口电路通信。

2.5 以太网接口电路

以太网接口电路如图7所示，其接口采用内部自带网络变压器的RJ46接口HR91105A，TXN/TXP差分对与HR91105A的1脚和2脚相连接，RXN/RXP差分对与HR91105A的3脚和6脚相连接，4脚和5脚为网络变压器的中心抽头，9脚和10脚为绿色指示灯，11脚和12脚为绿色指示灯。

参考文献：

[1]NIE Zhou.The impact of communication technologies on social structure-take the example of smart city[J].Journal of Shanxi University of Finance and Economics,2016(s2):137-144.

[2]张皓.计算机物联网技术应用及发展研究[J].电子技术与软件工程,2016(22):10.

[3]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全（产品报价手册）.2023.01版

[4]企业微电网设计与应用手册.2022.05版.