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1 LoRa技術
1.1 簡介
LoRa是LPWAN（Low Power Wide Area Net work，低功耗廣域網）通信技術中的一種，是美國Semtech公司研發的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。LoRa技術顛覆了過去通信技術領域中有關遠距離與低功耗的傳統認知。設計者采用LoRa技術完成數據通信可以兼顧遠距離與低功耗的各自優點，并由于LoRa技術傳輸距離遠，其可以大大節省額外的中繼開銷，使得系統部署簡單，傳輸效率較高。目前，LoRa技術主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工業科學醫療）頻段運行，主要包括433、868、915MHz等。
LoRa技術將擴頻調制技術（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循環冗余碼校驗技術（Cyclic Redundancy Check，CRC）相結合，實現通信信號的調制解調。相對于頻移監控技術（Frequency Shift Keying，FSK），LoRa技術在擴大無線通訊鏈路覆蓋范圍的同時，又提高了系統的魯棒性。所以LoRa技術具有較強的抗干擾性，設計者通過調整擴頻因子，以及帶寬和編碼率，就可以對LoRa網絡進行優化。
1.2特點
（1）靈敏度可達-148dBm，發射功率可達22dBm；
（2）傳輸距離上限可達15km，建筑物密集區可覆蓋2km左右的通信范圍，空曠地帶覆蓋范圍可達10km；
（3）接收是功耗低至10mA，睡眠電流為200nA，可使用電池供電，長時間工作；
（4）數據傳輸速率的范圍是0.3kbps到50kbps，其可通過速率自適應技術動態調整數據傳輸速率，以均衡功耗和傳輸距離；
（5）使用基于信號傳輸時間的測距技術進行定位，其精度可達5米。
1.3 LoRa網絡構成
LoRa網絡構成如圖1所示，由傳感器節點、網關、中心服務器和移動服務組成。傳感器節點與網關之間通過LoRa技術進行通信，網關與中心服務器之間可以采用有線通信方式，也可以采用4G/5G等無線通信方式，移動服務通過Internet訪問中心服務器。
圖1 LoRa網絡構成
2 數據網關的硬件實現
2.1 總體結構
數據網關硬件設計的總體結構如圖2所示，由LoRa射頻電路、微控制器、以太網控制器和以太網接口電路組成。LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT，用于通過無線方式采集遠端的傳感器數據；微控制器電路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于處理接收到的傳感器數據，并進行分析和存儲；以太網電路采用WIZnet公司的W5500，W5500內部集成全硬件TCP/IP協議棧并自帶MAC和PHY電路，使用便捷、穩定可靠；以太網接口電路采用HanRun公司的HR91105A，其內部集成網絡變壓器，并具有很強的EMI表現。
圖2 數據網關硬件設計的總體結構
2.2 LoRa射頻電路
LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的LoRa收發芯片SX1268，其內部結構圖如圖3所示。其內部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa調制下，接收靈敏度上限可達-148dBm；同時集成了功率放大器（PA），其發射功率上限可達+22dBm。SX1268具有2種調制方式，分別為FSK和LoRa；2種供電方式，分別為低壓差現行穩壓器（LDO）和DC-DC電壓轉換器，當其工作在DC-DC方式下，其接收低電流信號可達4.2mA，可以實現實際意義的低功耗。SX1268通過SPI接口與微控制器進行數據交換。
圖3 SX1268內部結構圖
LoRa射頻電路如圖4所示，SX1268工作在內部DC-DC供電方式下，由于SX1268為半雙工工作方式，所以電路中采用視頻模擬開關PE4259進行射頻電路的切換。PE4259有2種工作方式，1是單引腳控制，其實現方法是第6腳接電源，如第4腳接高電平，則將RFC切換給RF1；如第4腳接電平，則將RFC切換給RF2。PE4259的第2種工作方式是第6腳給低電平，第4腳給高電平，則將RFC切換給RF1；第6腳給高電平，第4腳給低電平，則將RFC切換給RF2。SX1268的DIO2引腳為多功能引腳，可將其功能配置為收發控制，這樣DIO2直接與PE4259的第4腳相連即可。微控制器控制PE4259的第6腳，其功能是天線開關（ATN_SW），當第6腳給高電平，打開天線，此時SX1268可通過DIO2直接控制射頻收發；當第6腳給低電平時，關閉天線，以達到降低功耗的目的。
圖4 LoRa射頻電路
2.3 微控制器電路
微控制器電路用于接收LoRa射頻電路采集的傳感器數據，并進行分析、存儲，并將其轉換為專用格式通過以太網電路傳遞給中心服務器。微控制器電路核心芯片選擇ST公司的超低功耗單片機STM32L053R8T6，其有7種低功耗模式，分別為：Sleep mode（睡眠模式）、Low-power run mode（低功耗運行模式）、Low-power sleep mode（低功耗睡眠模式）、Stop mode with RTC（帶有RTC的停止模式）、Stop mode without RTC（不帶RTC的停止模式）、Standby mode with RTC（帶有RTC的旁路模式）、Standby mode without RTC（不帶RTC的旁路模式），其具體功耗數值見表1。
表1 STM32L053R8T6低功耗模式電流
STM32L053R8T6的Stop模式分為2種，一種是啟動內部RTC（實時時鐘）電路，另一種是不啟動內部RTC。當芯片運行于Stop模式是，具有喚醒功能的外設，會在條件滿足時，啟動HISRC時鐘，并且任何外部中斷都可以在3.5us的時間內喚醒期間，處理器可以進入中斷處理程序，進行相應的處理，所以論文所設計的網關微控制器在低功耗時，運行于Stop模式。
微控制器電路如圖5所示，主芯片STM32L053R8T6的時鐘，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其頻率為12MHz；電阻R1下拉，用于選擇啟動模式為內部Flash。為了增強系統的可靠性，對于復位電路除采用阻容復位外，額外焊接外部看門狗復位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過SPI接口與LoRa射頻電路和以太網電路通信。
2.4 以太網電路
W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網控制器，內部集成硬件TCP/IP協議棧，10/100M自適應的MAC層和PHY層，可使電路通過單芯片擴展以太網硬件鏈接。W5500使用SPI接口與微控制器進行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協議，內部集成32字節buffer用于處理和解析以太網數據包。W5500使用Socket進行以太網通訊設計，內部可同時使用8個硬件Socket進行通訊。
以太網電路如圖6所示，W5500使用硬件SPI與微控制器進行通信，由CS、SCK、MOSI和MISO4路信號構成，W5500工作于從機模式。電路使用低溫漂25M晶振為W5500提供時鐘，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進行數字信號與模擬信號的隔離。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信號與以太網接口電路通信。
2.5 以太網接口電路
以太網接口電路如圖7所示，其接口采用內部自帶網絡變壓器的RJ46接口HR91105A，TXN/TXP差分對與HR91105A的1腳和2腳相連接，RXN/RXP差分對與HR91105A的3腳和6腳相連接，4腳和5腳為網絡變壓器的中心抽頭，9腳和10腳為綠色指示燈，11腳和12腳為綠色指示燈。
參考文獻：
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[3]智能電網用戶端電力監控/電能管理/電氣安全（產品報價手冊）.2023.01版
[4]企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.
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