基于LoRa技術(shù)的大體積混凝土測溫節(jié)點設(shè)計

程廷果+許維東

摘 要：受施工現(xiàn)場條件限制，常規(guī)的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多存在功耗高、傳輸距離短、信號穿透性差、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不足等問題。設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于LoRa（long range）技術(shù)的節(jié)點，給出了節(jié)點的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。硬件包括SX1278、ds18b20單總線接口、msp430f149、w25q32和ds1302。軟件包括底層驅(qū)動、系統(tǒng)框架和任務(wù)處理程序。將節(jié)點搭建為星型網(wǎng)進(jìn)行測試，結(jié)果證明該節(jié)點工作穩(wěn)定可靠，功耗較低，能滿足大體積混凝土的測溫要求。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù)；msp430f149；星型網(wǎng)；大體積混凝土測溫

DOIDOI：10.11907/rjdk.171290

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0111-03

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，大體積混凝土越來越普遍，由此帶來的溫度引發(fā)裂縫問題受到工程界廣泛關(guān)注[1-2]。為此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB50496-2009規(guī)定大體積混凝土要進(jìn)行現(xiàn)場檢測和試驗[3]。

目前，在我國建筑施工行業(yè)中，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）進(jìn)行結(jié)構(gòu)物和施工環(huán)境的安全監(jiān)測已成為常態(tài)[4]。工程中常見的大體積混凝土溫度監(jiān)控周期一般為數(shù)月，監(jiān)控測點相距往往數(shù)百米，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間經(jīng)常存在臨時障礙物等，導(dǎo)致包括ZigBee、433MHz在內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法得到有效應(yīng)用。

2013年8月，美國加利福利亞州的Semtech公司推出了一系列基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的LoRa（long range）芯片[5]，該芯片在FSK調(diào)制方式下保持低功耗性能的同時，明顯增加了通信距離，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。LoRa作為一種調(diào)制技術(shù)，是線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個變種，與同類技術(shù)相比，可提供更長的通信距離，并具有前向糾錯（FEC）功能； LoRa在接收靈敏度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，其接收靈敏度高達(dá)-148dBm。因此，本文將LoRa技術(shù)引入大體積混凝土測溫領(lǐng)域。

1 節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計

為了獲取大體積混凝土內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)并通過無線射頻發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，設(shè)計了如圖1所示的以MCU為中心的采集節(jié)點。MCU采用msp430f149，外圍芯片采用SX1278、w25q32、ds1302，分別實現(xiàn)射頻、存儲和實時時鐘功能，Px（1，2，3，4）用于連接ds18b20總線。

使用IAR集成開發(fā)環(huán)境和C語言開發(fā)MCU軟件系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)分為元件驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)幀封裝器、任務(wù)管理器和任務(wù)處理程序，如圖2所示。

1.1 硬件系統(tǒng)

傳感器：為了穩(wěn)定可靠，采用工程現(xiàn)場常用的ds18b20傳感器。該傳感器可多個搭接在單總線上，非常適合多點測溫[6]，元件參數(shù)見表1。

微控制器：msp430f149是業(yè)界標(biāo)桿TI公司的一款低電壓低功耗芯片，帶有12位ADC，是帶硬件乘法器的16bitMCU，在standby和off模式下電流低至1.6μA和0.1μA[7]，元件參數(shù)見表2。

無線射頻芯片：SX1278是市面上最常用的Lora芯片，其無線電頻段屬于ISM開放頻段，無需授權(quán)許可?？紤]到射頻PCB的設(shè)計，最后選用以SX1278為核心的Lora模塊。

SX1278具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力，127dBm的動態(tài)RSSI，最大20dBm發(fā)送功率，多種調(diào)制方式可選以及載波監(jiān)聽等功能，使用非常方便，安全性好[8]。元件參數(shù)見表3。

1.2 軟件系統(tǒng)

1.2.1 元件驅(qū)動程序

元件驅(qū)動程序是對應(yīng)元件的功能函數(shù)集合，由于函數(shù)較多，這里只介紹主要函數(shù)。

（1）ds18b20：

STATUS SearchROM（char（*ROM）[8]，

uchar ROMsize，char*numsofsensor）

SearchROM函數(shù)用于搜集各個端口單總線上所有傳感器的ID并返回各個端口傳感器數(shù)量和函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)。

SearchROM函數(shù)主要用到搜索二叉樹算法[9]。

STATUS GetRegister（char*rambuf，

char*singleROM）

GetRegister函數(shù)用于將單個傳感器寄存器中的數(shù)據(jù)復(fù)制到ram，以便計算溫度和CRC校驗[10]。

（2）ds1302：

STATUS GetTime（char*time，

uchar timesize）

STATUS ModifyTime（char *time，

uchar timesiz）

GetTime、Modifyime分別用于讀取和修改實時時鐘。

（3）w25q32：

STATUS WriteData（char*address，

char*ram，uchar size）

STATUS ReadData（char*address，

char*ram，uchar size）

WriteData、ReadData分別用于向flash芯片中寫和讀指定地址和大小的數(shù)據(jù)。

（4）Lora：

void LoraSendBytes（char *rfsendbuf，

uchar size）；

LoraSendBytes用于Lora發(fā)送多個字節(jié)，Lora接收函數(shù)在interrupt實現(xiàn)。

1.2.2 數(shù)據(jù)幀封裝器

為了使多個節(jié)點能夠共同協(xié)調(diào)工作，將多個節(jié)點的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計為星型結(jié)構(gòu)，見圖3。為使節(jié)點具有自己的地址，在鏈路上互不干擾，需要設(shè)計一個簡單的鏈路協(xié)議，所有采集節(jié)點將各自的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到指定地址的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，數(shù)據(jù)幀封裝器用于實現(xiàn)這一功能。endprint

數(shù)據(jù)幀有以下幾種：

（1）上/下行數(shù)據(jù)幀。用于節(jié)點上傳收集的數(shù)據(jù)或網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點工作模式，見表4。

（2）上/下行確認(rèn)幀。用于網(wǎng)關(guān)和節(jié)點互相確認(rèn)對方是否成功收到數(shù)據(jù)，見表5。

（3）上行心跳幀。心跳幀有兩個作用，用于網(wǎng)關(guān)判斷節(jié)點是否連接網(wǎng)絡(luò)與上傳節(jié)點電壓，見表6。

1.2.3 任務(wù)管理器與任務(wù)程序

任務(wù)程序是節(jié)點軟件系統(tǒng)的中心部件，負(fù)責(zé)處理所有事件，包括采集上傳任務(wù)、設(shè)置參數(shù)任務(wù)、上傳錯誤任務(wù)、上傳心跳任務(wù)等。任務(wù)管理器則負(fù)責(zé)檢查事件表，根據(jù)事件將指令碼插入指令隊列尾并根據(jù)隊列調(diào)用相應(yīng)的處理程序，任務(wù)管理器事件輪詢功能見圖4。

事件表采用RAM中的數(shù)組實現(xiàn)，事件表中的位置代表了事件的優(yōu)先級。為了保持處理事件的順序，指令碼采用隊列存儲，隊列使用循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)，由于運行過程中需要收集發(fā)生的錯誤用于分析原因，而對錯誤沒有順序要求，所以錯誤碼采用棧存儲，棧采用數(shù)組棧實現(xiàn)[11]，如圖5所示。

1.2.4 其它

（1）limit。該文件內(nèi)全部是宏定義，用于限制傳感器數(shù)量、隊列、棧、數(shù)據(jù)存儲區(qū)等在內(nèi)存中的大小，以合理使用內(nèi)存。

（2）globlevariable：全局變量。該文件包含系統(tǒng)所有全局變量，用以確定靜態(tài)內(nèi)存區(qū)大小。

（3）clock：全局時鐘區(qū)。所有需要用到時間的服務(wù)都由該文件中的函數(shù)提供。

（4）System：系統(tǒng)初始化。包括CPU時鐘頻率、定時器頻率以及和系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)置等。

（5）Interrupt：中斷函數(shù)文件。該文件主要包含LoRa發(fā)送和接收中斷、時鐘中斷。因為Lora模塊休眠后不能接收信號，所以需要設(shè)置接收時隙以及無應(yīng)答重發(fā)機(jī)制。

2 系統(tǒng)測試

將3個節(jié)點分開放于3個實驗室模擬測試，每個節(jié)點接10個傳感器，分別相距網(wǎng)關(guān)約1km、500m、800m，將各節(jié)點分別設(shè)置為間隔10分鐘采集一次數(shù)據(jù)并上傳至網(wǎng)關(guān)。

將網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)處理后通過串口上傳至PC，可在PC端看到各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，見圖6。

3 結(jié)語

節(jié)點模擬工作一段時間后，經(jīng)過對溫度數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)很少丟失數(shù)據(jù)。經(jīng)過對電壓數(shù)據(jù)的整理發(fā)現(xiàn)功耗較低。在傳輸距離方面，LoRa優(yōu)于同功耗下的2.4GHz與433MHz傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，完全滿足大體積混凝土的測溫要求。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在世界多地進(jìn)行試點部署，包括中國、美國、法國、新西蘭 、印度、澳大利亞、韓國、西班牙[12-15] 等國。

搭建中國的物聯(lián)網(wǎng)平臺，將大體積混凝土測溫節(jié)點加入loRaWAN網(wǎng)絡(luò)，是行業(yè)發(fā)展方向，會極大促進(jìn)安全監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展，給建造事業(yè)提供便利，更好地保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全。

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