基于LoRa的溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

費(fèi)祥 張梅

摘 要：設(shè)計(jì)一種基于LoRa的溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的控制模塊選用MSP430F169單片機(jī)，LoRa通信模塊選用E32-TTL-100射頻芯片，選用HTU21D溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度，并設(shè)計(jì)報(bào)警電路。所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)可將采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車間環(huán)境溫濕度，并進(jìn)行溫濕度超標(biāo)報(bào)警。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該設(shè)計(jì)能滿足溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的有效性與通信傳輸?shù)目煽啃砸蟆?/p>

關(guān)鍵詞：環(huán)境溫濕度;MSP430F169單片機(jī);E32-TTL-100射頻芯片;嵌入式技術(shù);LoRa;異常報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP277;TD82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)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(lái)了多種多樣的方案。無(wú)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(wú)線通信技術(shù)有著明顯優(yōu)勢(shì)，并已在許多領(lǐng)域中展開應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種車間環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)LoRa無(wú)線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車間環(huán)境溫濕度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)異常環(huán)境狀況作出及時(shí)應(yīng)對(duì)，為車間生產(chǎn)提供一個(gè)安全穩(wěn)定的環(huán)境。

1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能包括監(jiān)測(cè)車間環(huán)境溫濕度，在溫濕度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)報(bào)警，實(shí)時(shí)將所采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)分為9個(gè)部分，即控制芯片MSP430F169、LoRa模塊、UART接口、溫濕度傳感器模塊、報(bào)警電路、電源模塊、時(shí)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。

MSP430F169單片機(jī)與時(shí)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(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。通過(guò)JTAG接口電路，可將程序?qū)懭隡SP430F169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(cè)環(huán)境中的溫濕度信息。報(bào)警電路在環(huán)境信息超出閾值時(shí)，由控制芯片控制報(bào)警。UART用于實(shí)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(jì)

2.1 MSP430F169控制電路

基于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有采集并處理環(huán)境溫濕度模擬量、布置簡(jiǎn)單、功耗低等要求，選取MSP430F169單片機(jī)作為控制芯片。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制電路由控制芯片MSP430F169單片機(jī)、時(shí)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(guó)Semtech公司推出，專門面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)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(wú)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(diǎn)。

LoRa通信模塊用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信，本文設(shè)計(jì)選取E32-TTL-100型號(hào)。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(shí)，無(wú)線收發(fā)模塊關(guān)閉，模塊工作電流只有2 μA，但仍能接收控制芯片傳來(lái)的配置數(shù)據(jù)。發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射電流約為110 mA，額定工作電壓為2.3～5 V，本文設(shè)計(jì)擬定工作電壓為3.3 V。該模塊還具有自動(dòng)跳轉(zhuǎn)信道與地址功能，不同信道的模塊之間可實(shí)現(xiàn)相互收發(fā)，利用此點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)更便捷的組網(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(cè)量范圍大，對(duì)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(cè)量范圍為-40～125 ℃，濕度測(cè)量范圍為0～100 %RH，供電電壓范圍為1.5～3.6 V，本文設(shè)計(jì)采用3.3 V電源供電。HTU21D溫濕度傳感器具有精度高、測(cè)量范圍大、尺寸小、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，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(jì)。其電路連接圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)通過(guò)IAR開發(fā)環(huán)境和Keil開發(fā)環(huán)境完成，程序利用C語(yǔ)言編寫。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，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(hào)，控制報(bào)警電路報(bào)警，并通過(guò)LoRa模塊發(fā)送至上位機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到異常環(huán)境信息時(shí)，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(shí)及時(shí)恢復(fù)節(jié)點(diǎn)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(hào)，并且檢查報(bào)警電路是否報(bào)警。若處于報(bào)警狀態(tài)則及時(shí)關(guān)閉，未報(bào)警則定期發(fā)送環(huán)境正常信號(hào)，之后延遲一段時(shí)間再重新讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 溫濕度采集實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程選用專業(yè)醫(yī)用溫濕度計(jì)與本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)照進(jìn)行。其中，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用外部9 V直流電池供電。兩組實(shí)驗(yàn)同時(shí)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，時(shí)間為2018年4月26日。表1為部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，本文設(shè)計(jì)的溫濕度采集功能達(dá)到了要求。

4.2 LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用CRC16數(shù)據(jù)檢驗(yàn)算法進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，接收端統(tǒng)計(jì)成功接收的數(shù)據(jù)幀，計(jì)算丟包率。實(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍約2.7～2.8 km，丟包率不超過(guò)4%?？紤]到車間環(huán)境更為密集與復(fù)雜，預(yù)計(jì)合理工作范圍為2～2.5 km。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通信功能符合預(yù)期要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以MSP430F169為主控芯片，采用HTU21D數(shù)字溫濕度傳感器，通過(guò)LoRa進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囬g環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)采用LoRa無(wú)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(shí)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無(wú)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。

參 考 文 獻(xiàn)

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