基于物联网的冷链监测系统设计

张 铮，陈佳品

（1.上海海洋大学工程学院，上海201306；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）

近年来，如何高效、准确和可靠对冷链储运进行监测已成为国内外冷链物流系统中的热点问题[1-3]。物联网技术，其内涵在于无处不在的数据采集、可靠的数据传输和信息处理以及智能化的信息应用[4-6]。然而目前物联网在面向果蔬、水产品等含水量较高的冷链监测应用中面临诸多障碍和挑战[7-9]；如节点电池寿命不足，通信距离有限，对于高含水量的生鲜食品储运环境，2.4 GHz无线信号衰减严重等。

文中针对冷链监测的特点[10]，采用超低功耗ARM处理器STM32L051K8和基于LoRa技术的无线通信方案[11-13]，在尽可能降低无线感知节点功耗的同时，提供了长距离通信保证，从而提高了冷链无线监测系统的能效性、可靠性和抗干扰性。本文给出了的基于LoRa技术的物联网监测系统架构和无线节点的详细硬件设计方案，其完全满足冷链过程全面监测的需求，为推动冷链物联网技术的应用提供了一种新思路，具有一定的实践意义。

1 系统原理与架构

对于冷链监测，无线节点通常被置于包装箱内，被高含水量的生鲜食品包围；在该环境下，基于Zigbee的2.4 GHz无线信号衰减严重，大大影响通信距离，甚至低于0.5 m，导致无线通信异常，丢包率很高。实验表明，在含水量较高的环境下，当发射功率相同时，更低的无线通信频率，无线信号具有更远的传输距离，433 MHz无线频段更适用于含水量较高的生鲜食品冷链监测[14]。

LoRa是美国Semtech公司采用和推广的一种1 GHz以下超远距离无线传输方案[11]。它改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展无线传感网络。

因此，文中采用基于LoRa技术的物联网架构进行冷链监测。LoRa技术采用了扩频调制技术，其接收灵敏度达到了惊人的-148 dbm，从而在同等的功耗下取得更远的无线通信距离。充足的链路预算，使其无线通信距离理论上可达10千米以上。由于无线传输距离增加，可以大幅减少中继节点的使用，简化了无线网络系统的设计。

图1 LoRa网络架构图

基于LoRa技术的网络架构如图1所示，系统包括LoRa终端节点、LoRa网关、远程监测信息中心3部分。其中，LoRa终端节点与LoRa网关组成星形拓扑架构，LoRa终端节点采用电池供电，通过温湿度传感器精确感知环境量变化，并周期性地上传现场数据；LoRa网关对网络内所有节点的感知数据进行采集存储，并通过无线移动网络通信模块将数据上传到远程监控信息中心。

433 MHz的LoRa无线通信技术在高湿度的冷藏车内部具有较强的穿透性，和较远的无线传输距离；使得部署在车厢内部的包装或托盘上所有LoRa终端节点可以与车厢内或主要交通出入口处部署的LoRa网关进行直接点对点无线通信，而不需要中继或路由节点转发数据；与基于Zigbee技术的网状网络架构相比，它是具有最低延迟的最简单的网络结构，消除了同步开销和路由转发，LoRa终端节点发送完数据后立即进入休眠状态，直到下一个数据采集周期才被唤醒，不需要空闲侦听，因而降低了LoRa节点的功耗，大大延长了LoRa无线监测系统的网络寿命。

2 硬件设计

LoRa网关可直接使用Semtech公司基于SX1301芯片开发的LoRaWAN网关。因此本文硬件设计的重点是LoRa终端节点的设计，LoRa终端节点作为感知单元一般采用电池供电；因此LoRa节点模块应做微型化，超低功耗设计，且模块回收电池充电后可重复使用。

LoRa终端节点的硬件电路设计包括电源、MCU及其接口电路、射频单元、传感单元等，下面分别进行重点介绍。

2.1 电源设计

电源部分应具有锂电池充电，线性稳压等功能，其电路原理图如图2所示。bq21040是一颗高度集成锂离子和锂聚合物线性电池充电器，采用小尺寸晶体管SOT-23封装，通过外部电阻R1编程设定的充电电流最高可达800 mA，可通过5 V直流输入快速为4.2 V锂电池充电。

图2 电源电路

S-1206是基于CMOS技术的超低消耗电流、低压差、高精度输出电压、250 mA输出电流的正电压型电压稳压器。本系统采用3.3 V电压输出。其输入输出电容器微小，只有0.1 μF，且可以在超低的消耗电流（1.0 μA）条件下工作；因内置低导通电阻晶体管，故输入输出电压差小，仅150 mV；这使得锂电池放电至输出3.6 V时，系统仍能正常工作，从而有效地提高了LoRa终端节点的工作寿命。

2.2 MCU单元

MCU单元采用意法半导体超低功耗STM32L系列[15]的 STM32L051K8，LQFP32封装，32 MHz运行模式下电流仅为 139 μA/MHz，优化模式为 7 μA/MHz，具有全RAM数据保存和低功耗定时计数器功能的停止模式，电流仅440 nA；3.5 μs唤醒时间；其I/O接口与引脚分配如图3所示，可规划出2个USART，1个I2C，1个SPI和若干I/O控制端口，方便与传感器和射频单元进行连接控制；完全满足模块微型化，超低功耗的设计需求。芯片内置64 k字节FLASH，8 k字节SRAM，可运行在32 MHz，其性能完全满足LoRa无线通信协议运行的需求。

图3 MCU单元

2.3 射频单元

射频单元采用Semtech公司的SX1278器件，该器件采用了LoRa TM扩频调制跳频技术，其通信距离，接收灵敏度都远超现在的FSK、GFSK调制，可以实现-148 dbm的高灵敏度，且多个传输的信号占用同一个信道而不受影响，具有高抗干扰性和最大限度的减小电流功耗。其发射功率+13 dBm时，电流仅29 mA；接收电流低，典型值11 mA，休眠电流仅0.2 μA。SX1278与MCU通过SPI接口进行数据交互，如图4所示。SX1278的DIO0引脚可通过配置指示无线数据的接收和发送完成状态，该引脚与MCU的中断输入引脚连接。当SX1278有接收数据时，该引脚拉低，MCU进行接收中断处理。

图4 射频单元SPI接口

SX1278的433Mhz射频电路如图5所示，RFI_LF为433 MHz射频输入引脚，RFO_LF为433 MHz射频输出引脚，VR_PA为用于PA功放的稳压电源脚。SX1278配备了不同的射频功率放大器，其中射频输出引脚RFO_LF连接的内部功放可支持+7 dBm，+13 dBm输出；如获得高功率输出，则需把PA_BOOST脚作为射频输出，RFO_LF脚悬空；此时与PA_BOOST引脚连接的内置功放，通过外部匹配网络输出功率高达+17 dBm或+20 dBm。

图5 射频电路

本设计采用0 Ω电阻作为输出跳线选择，如需要更大的发射功率，更远的传输距离，可焊上R12，接通PA_BOOST；如需要更长的使用寿命，可焊上R13，接通RFO_LF，节省电池能量。

图6 射频通道切换

PE4259为射频开关，控制SX1278射频收发的微波信号通道切换。射频收发的切换控制既可由SX1278的RXTX/RF_MOD脚控制，也可由MCU的I/O控制，本系统采用RXTX/RF_MOD脚控制，通过R15连接PE4259的ctrl引脚。

2.4 传感单元

传感单元测量温湿度数据，本设计采用Sensirion全新一代数字式高精度温湿度传感器SHT21[16]，该芯片除了配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器外，还包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。采用I2C接口与MCU进行数据交互，如图7所示。其功耗为:1.5 μW（8位测量，1次/秒），湿度范围为0-100%RH，精度±2%RH；温度范围为-40～+125℃，精度±0.3℃，该性能完全满足低功耗监测的需求。

图7 温湿度传感器

SHT21的电源与接地之间须连接一个100 nF的退耦电容，用于滤波；I2C接口的SDA和SCL引脚须接外部上拉电阻，以驱动总线。

3 网络协议

LoRaWAN网络协议基于star-of-stars拓扑结构。网络设备应具备最基本的Class A类功能。Class A类设备提供双向通信，上行链路为终端节点发送数据帧给网关，下行链路为网关发送数据帧给终端节点，其中主要的通信量是从终端节点到无线网关的上行链路。

对于Class A类设备，网关不能进行主动的下行链路发送。首先由终端节点进行上行链路传输，然后会跟随两次很短的下行链路接收窗口。传输时隙由终端设备调度，基于其自身的通信量需求，并有一个基于随机时基的微小变化，因此A类终端最省电。

其收发时序如图8所示，要点如下：

图8 终端节点接收时隙时序

1）每个上行链路传输后，终端节点会紧接着开放两个短接收窗口。接收窗口开始时间是传输的最后一个上行数据位末尾。

2）第一个接收窗口RX1和上行链路使用同一个频率信道，并且数据率和上行链路所使用数据率的一致。在上行发送结束RX1开放，持续时间为RECEIVE_DELAY11s（正负 20 μs误差）。

3）第二个接收窗口RX2使用固定配置频率和数据率。当上行链路发送结束后接收窗开放RECEIVE_DELAY21s（正负20 μs误差）的时长。

4）接收窗口长度必须至少是终端节点无线收发器有效地检测到一个下行前导所需要的最小时间。

5）如果任意一个接收窗口中检测到前导，射频接收器将保持活性直到下行链路数据帧被接收。当在第一接收窗口检测到一个帧并接收时，如果在地址及消息完整性代码检测后确认该帧是给本终端节点的帧，则终端节点则不会再打开第二接收窗口。

6）如果网络准备向终端节点传输一个下行链路，他通常会在两个窗口的任意一个窗口的开始时间准确地进行传输。

7）一个终端节点在先前传输的第一个或第二个接收窗口接收完下行数据之前，或者先前传输的第二个接收窗口过期之前，不再发送上行链路数据。

冷链监测传输的数据量并不大，例如终端节点5分钟采集一次数据上传，每个数据帧16字节，则100节点每小时上传19.2 k字节数据。因此采用最基本的LoRaWAN Class A功能就能满足冷链监测的性能要求，且能最大限度地节省电池能量。

4 结 论

文中提出了基于LoRa技术的生鲜食品物联网监测方案，给出了LoRa节点的详细硬件设计方案，和LoRa无线通信协议的主要流程。本研究对于冷链信息化具有一定的实践意义。下一步将对LoRa通信协议进行深入研究和优化改进，进一步提高无线通信的能效性和可靠性。

参考文献：

[1]贾科进，钱春阳，韩瑜，等.冷链运输监测中无线传感器节点设计[J].农业机械学报，2013，44（2）:136-141．

[2]Lakshmil V R，Vijayakumar S．Wireless sensor network based alert system for cold chain management[J].Proc.Engin.，2012（38）:537-543．

[3]齐林，韩玉冰，张小栓，等.基于WSN的水产品冷链物流实时监测系统[J].农业机械学报，2012，43（8）:134-140．

[4]CBD Kuncoro，Armansyah，NH Saad，et al.Wireless e-nose sensor node:state of the art[J].Proc.Engin.，2012（41）:1405-1411.

[5]Heidmann N，Jan en S，Lang W，Paul S.Implementation and verification of a low-power UHF/LF wireless sensor network as part of the intelligent container[J].Proc.Engin.，2012（47）:68-71．

[6]欧文.物联网技术及其在农业生产中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2015.

[7]刘静.鲜食葡萄冷链运输监测方法研究[D].北京：中国农业大学，2013.

[8]缪剑峰.基于6LoWPAN无线传感网的冷链监测系统研究[D].南京：南京邮电大学，2014.

[9]肖新清，齐林，张雷，等.面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统[J].电子技术应用，2013（8）:77-79.

[10]朱仕兄.我国生鲜农产品冷链物流现状及发展对策分析[J].物流技术，2012（23）:133-135.

[11]赵静，苏光添.LoRa无线网络技术分析[J].移动通信，2016（12）:50-57.

[12]孙曼，张乃谦，金立标，等.基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术，2016（10）:77-81.

[13]龚天平.LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输[J].电子世界，2016（10）:115-117.

[14]R Jedermann，T Pötsch，C Lloyd.Communication techniques and challenges for wireless food quality monitoring[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical Physical&Engineering Sciences，2014，372（2017）:20130304.

[15]铁海涛，邓恒军.基于STM32L053在无线通讯过程中低功耗的实现[J].科技展望，2017（3）:127.

[16]鲍爱达，张庆志，郭涛，等.基于FPGA和SHT21传感器的温湿度测量系统的设计[J].计算机测量与控制，2012（11）:2885-2887.