基于 LoRa 的溫濕度監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來了極大便利，而在環(huán)境控制技術(shù)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也帶來了多種多樣的方案。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在溫濕度控制中最早開始運(yùn)用 [1]， ZigBee[2-3]，3G[4]，WiFi[5]，F(xiàn)PGA[6]等技術(shù)都已有各種解決方案。LoRa[7-10]作為新興無線通信技術(shù)有著明顯優(yōu)勢，并已在許多領(lǐng)域中展開應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種車間環(huán)境溫濕度監(jiān)測節(jié)點， 可通過LoRa無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)對車間環(huán)境溫濕度變化的實時監(jiān)測，對異常環(huán)境狀況作出及時應(yīng)對，為車間生產(chǎn)提供一個安全穩(wěn)定的環(huán)境。

1 監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點的功能包括監(jiān)測車間環(huán)境溫濕度，在溫濕度超出預(yù)設(shè)范圍時報警，實時將所采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)通過LoRa 網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)。監(jiān)測節(jié)點整體結(jié)構(gòu)分為 9 個部分， 即控制芯片 MSP430F169、LoRa 模塊、UART 接口、溫濕度傳感器模塊、報警電路、電源模塊、時鐘電路、復(fù)位電路以及 JTAG 接口。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖 1 監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

MSP430F169 單片機(jī)與時鐘電路以及復(fù)位電路構(gòu)成該單片機(jī)的最小系統(tǒng)。LoRa 模塊用于通過 LoRa 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。通過 JTAG 接口電路，可將程序?qū)懭?MSP430F169 單片機(jī)中，用于功能調(diào)試與設(shè)備維護(hù)。溫濕度傳感器模塊負(fù)責(zé)檢測環(huán)境中的溫濕度信息。報警電路在環(huán)境信息超出閾值時， 由控制芯片控制報警。UART 用于實現(xiàn)與手持設(shè)置器之間的通信。電源電路提供所需的工作電壓與電流。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 MSP430F169控制電路

基于監(jiān)測節(jié)點應(yīng)具有采集并處理環(huán)境溫濕度模擬量、布置簡單、功耗低等要求，選取 MSP430F169 單片機(jī)作為控制芯片。監(jiān)測節(jié)點控制電路由控制芯片 MSP430F169 單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路以及 UART 接口組成?？刂齐娐吩韴D如圖 2 所示。

2.2 LoRa通信模塊

LoRa（Long-Range）作為低功耗廣域網(wǎng)的代表技術(shù)之一， 是由美國 Semtech 公司推出，專門面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線通信技術(shù)。LoRa 使用非授權(quán)頻段，可自由搭建不受限制，適用于低成本需求的應(yīng)用。LoRa 與 ZigBee，Bluetooth，WiFi 以及 GPRS 等無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相比，具有距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。

LoRa 通信模塊用于實現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信， 本文設(shè)計選取 E32-TTL-100 型號。LoRa 通信模塊由STML151G6 最小系統(tǒng)、SX1278 射頻芯片、發(fā)射電路、接收電路、射頻開關(guān)及 SMA 天線組成，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

此 LoRa模塊具有低功耗特性與休眠功能， 即當(dāng)模塊工作于模式 3時，無線收發(fā)模塊關(guān)閉，模塊工作電流只有2μA，但仍能接收控制芯片傳來的配置數(shù)據(jù)。發(fā)射信號時，發(fā)射電流約為 110mA，額定工作電壓為 2.3～5V，本文設(shè)計擬定工作電壓為 3.3V。該模塊還具有自動跳轉(zhuǎn)信道與地址功能，不同信道的模塊之間可實現(xiàn)相互收發(fā)，利用此點可實現(xiàn)更便捷的網(wǎng)。

LoRa 模塊的引腳功能 ：M0 和 M1 用于設(shè)置模塊工作模式 ；RXD 引腳連接 MCU 的 TXD 引腳作串口輸入 ；TXD 引腳連接 MCU 的 RXD 引腳作串口輸出 ；AUX 引腳指示模塊工作狀態(tài) ；VCC 接電源 ；GND 接地線。LoRa 模塊接線圖如圖 4 所示。

2.3 溫濕度傳感器模塊

由于車間環(huán)境的復(fù)雜與多樣，需選用測量范圍大，對工作條件不敏感的溫濕度傳感器，故選用數(shù)字溫濕度傳感器HTU21D。該傳感器溫度測量范圍為 -40 ～ 125 ℃，濕度測量范圍為 0 ～ 100 %RH，供電電壓范圍為 1.5 ～ 3.6 V，本文設(shè)計采用 3.3 V 電源供電。HTU21D 溫濕度傳感器具有精度高、測量范圍大、尺寸小、功耗低、性價比高的特點，不僅輸出方式多樣，工作電壓范圍也較寬，適合低功耗、小體積的應(yīng)用設(shè)計。其電路連接圖如圖 5 所示。

3 軟件設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計通過 IAR 開發(fā)環(huán)境和Keil 開發(fā)環(huán)境完成，程序利用 C 語言編寫。監(jiān)測節(jié)點正常工作時，先進(jìn)行初始化，MCU 讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否符合預(yù)設(shè)范圍。若超出范圍，則產(chǎn)生環(huán)境異常信號，控制報警電路報警，并通過 LoRa 模塊發(fā)送至上位機(jī)。當(dāng)檢測到異常環(huán)境信息時，持續(xù)讀取傳感器數(shù)據(jù)，反復(fù)判斷，在環(huán)境恢復(fù)正常時及時恢復(fù)節(jié)點工作流程。若數(shù)據(jù)未超出預(yù)設(shè)范圍，MCU 產(chǎn)生環(huán)境正常信號，并且檢查報警電路是否報警。若處于報警狀態(tài)則及時關(guān)閉，未報警則定期發(fā)送環(huán)境正常信號， 之后延遲一段時間再重新讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果

4.1 溫濕度采集實驗

實驗過程選用專業(yè)醫(yī)用溫濕度計與本文設(shè)計的監(jiān)測節(jié)點對照進(jìn)行。其中，監(jiān)測節(jié)點采用外部 9 V 直流電池供電。兩組實驗同時于實驗室環(huán)境下進(jìn)行，時間為 2018 年 4 月 26 日。 表 1 為部分實驗數(shù)據(jù)。

從實驗結(jié)果可知，監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測的結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果基本一致，本文設(shè)計的溫濕度采集功能達(dá)到了要求。

4.2 LoRa 網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗

實驗采用 CRC16 數(shù)據(jù)檢驗算法進(jìn)行驗證，統(tǒng)計發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，接收端統(tǒng)計成功接收的數(shù)據(jù)幀，計算丟包率。實驗采用點對點通信方式。本文設(shè)計采用的 LoRa 模塊發(fā)射功率為 0.1 W，標(biāo)稱覆蓋范圍為 3 km，實驗測量范圍約2.7 ～ 2.8 km，丟包率不超過 4%?？紤]到車間環(huán)境更為密集與復(fù)雜，預(yù)計合理工作范圍為 2 ～ 2.5 km。監(jiān)測節(jié)點通信功能符合預(yù)期要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以 MSP430F169 為主控芯片，采用HTU21D 數(shù)字溫濕度傳感器，通過 LoRa 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囬g環(huán)境溫濕度監(jiān)測節(jié)點。通過采用 LoRa 無線通信技術(shù)與新型溫濕度傳感器，在滿足高精度與低功耗特性要求的同時，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無線通信技術(shù)范圍小的缺陷，可適應(yīng)更復(fù)雜廣闊的環(huán)境，有效提升車間環(huán)境控制水平。