LoRa技術(shù)在礦井溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧從龍+朱成杰

摘 要：針對(duì)目前煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸距離短、功耗大、易受干擾等不足，提出了一種LoRa技術(shù)在礦井溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。詳細(xì)介紹了主要模塊的軟硬件以及低功耗設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)，信號(hào)穿透能力強(qiáng)，電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LoRa；溫濕度；低功耗

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的要求越來(lái)越高。LoRa技術(shù)一經(jīng)面世就以其遠(yuǎn)距離、低功耗、抗干擾、低成本的特點(diǎn)備受青睞。為了保障煤礦作業(yè)的安全生產(chǎn)，對(duì)礦井內(nèi)溫濕度環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的[1]。隨著煤礦安全監(jiān)測(cè)水平的提高，當(dāng)前煤礦安全狀況得到了明顯的好轉(zhuǎn)[2]。但是目前溫濕度環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，存在一些不足：（1）點(diǎn)到點(diǎn)傳輸距離短： ZigBee傳輸距離增加，需要通過(guò)多跳形式或者使用功率放大器來(lái)減少跳數(shù)從而來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，這增加了成本；（2）ZigBee技術(shù)使用2.4G免執(zhí)照頻段容易受到其他設(shè)備的干擾。

針對(duì)目前采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度的不足，本文提出了基于LoRa技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)礦井下遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸溫濕度。

1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是由從機(jī)模塊、主機(jī)模塊、PC監(jiān)控系統(tǒng)組成。從機(jī)模塊的溫濕度傳感器采集到礦井中的溫度與濕度通過(guò)無(wú)線方式把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)模塊，最終通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C監(jiān)控系統(tǒng)，并做相應(yīng)處理。如果監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)超過(guò)閾值，節(jié)點(diǎn)就會(huì)報(bào)警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.2 節(jié)點(diǎn)與主機(jī)模塊設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)主要由STM32F103C8T6單片機(jī)、LED、Si7021溫濕度傳感器、蜂鳴器、OLED、電源模塊、無(wú)線透?jìng)髂KSX1276組成[3]。節(jié)點(diǎn)的功能主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，出現(xiàn)異常情況并報(bào)警，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，并在OLED上顯示，報(bào)警時(shí)LED燈閃爍蜂鳴器響。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要分為節(jié)點(diǎn)獲取取與發(fā)送溫度程序以及主模塊接收程序，最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C監(jiān)控系溫度獲取通過(guò)getTemHum（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，溫度發(fā)送通過(guò)RFSendData（u8 *buf u8 size）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，，主模塊的接收通過(guò)RFRevData（u8 *buf）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，還有模塊的一些初始化、驅(qū)動(dòng)函數(shù)。每次數(shù)據(jù)發(fā)送完成與接收完成都進(jìn)入相應(yīng)低功耗模式，節(jié)點(diǎn)采集到溫濕度超過(guò)閾值就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序，同時(shí)在OLED上顯示溫濕度。發(fā)送與接收流程圖如圖6所示。

3 低功耗實(shí)現(xiàn)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量往往是節(jié)點(diǎn)的心臟，因此如何在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中減少能量的消耗需要解決。低功耗實(shí)現(xiàn)主要從硬件與軟件兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

（1）硬件方面：電源模塊選用低功耗穩(wěn)壓芯片，溫濕度傳感器選用低功耗Si7021芯片

（2）軟件方面：程序運(yùn)行效率、管腳設(shè)置、MCU運(yùn)行方式以及時(shí)鐘配置是影響低功耗的主要因素。在無(wú)線傳感器器網(wǎng)絡(luò)中，功耗的損失一部分是由于通信中存在干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失需要重傳數(shù)據(jù)；另一部分是由于多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)向主機(jī)發(fā)送的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致能量的損耗。分配固定的時(shí)隙，有規(guī)則的來(lái)傳輸數(shù)據(jù)可以有效的避免碰撞。.管腳配置主要針對(duì)MCU的GPIO配置，把空閑GPIO管腳設(shè)置成下拉輸入。MCU低功耗運(yùn)行方式有睡眠、待機(jī)、停機(jī)模式，其中停機(jī)模式功耗最低，任意外部中斷都可以將其喚醒，進(jìn)入停機(jī)模式只需要調(diào)用PWR_EnterSTOPMode（）庫(kù)函數(shù)即可。時(shí)鐘配置，把不用的總線時(shí)鐘關(guān)閉進(jìn)一步降低功耗。

4 結(jié)論

文中把LoRa技術(shù)應(yīng)用到礦井溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其信號(hào)穿透力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。該技術(shù)具有低功耗，電池使用壽命長(zhǎng)，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)速率低。該技術(shù)不僅可以應(yīng)用到煤礦井下，還可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域例如智能家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制等。通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸表明了數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)穿透力強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、數(shù)據(jù)丟包率低。

參考文獻(xiàn)

[1]岳靜. ZigBee溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[J]. 煤炭技術(shù)，2011，30（1）：176-178.

[2]唐軍勝，陳靜，付敬奇，等. 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 煤炭技術(shù)，2016，35（1）：283-285.

[3]付河，羅婉霞. 基于SX1276的新能源LED路燈無(wú)線控制器[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2015，26（5）：42-47.

[4]茍全登，閆連山.基于ZigBee的低功耗井下人員快速定位系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2013，32（9）：113-114..

作者簡(jiǎn)介

鄧從龍（1990-），男，漢，皖馬鞍山市，安徽理工大學(xué)，碩士，嵌入式、圖像處理。