基于LoRa無線傳輸?shù)亩嗦窡犭娕紲y(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳靜霞 承浩 吳秦宇

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

引言

熱電偶是工業(yè)上使用的一種簡(jiǎn)單可靠的溫度傳感器，LoRa技術(shù)是LPWAN((Low Power Wide Area Network)低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中一種可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無線傳輸、低功耗、大容量的無線傳輸技術(shù)。目前多路熱電偶數(shù)據(jù)采集一般為單機(jī)系統(tǒng)，無線數(shù)據(jù)傳輸大多采用藍(lán)牙技術(shù)，傳輸距離有限。本文從硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及核心模塊介紹入手，闡述實(shí)現(xiàn)32路K型熱電偶溫度測(cè)量、溫度通道切換、串口屏庫(kù)函數(shù)顯示等功能的方法，用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)組建無線傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸溫度信號(hào)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)硬件總體組成架構(gòu)框圖如圖1所示。采用多主機(jī)與多從機(jī)結(jié)構(gòu)，主機(jī)用定時(shí)輪詢方法采集溫度值并通過LoRa發(fā)送，從機(jī)通過LoRa接收并處理溫度數(shù)據(jù)。主機(jī)與從機(jī)核心MCU均采用STM32系統(tǒng)，以及人機(jī)交互鍵盤、LED、DWIN迪文串口彩屏等。主機(jī)通過通道切換電路輪詢采集32路或以上K型熱電偶溫度。LoRa無線模塊實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)打包遠(yuǎn)距離傳輸。從機(jī)不僅可以作為顯示終端，而且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度報(bào)警或提醒。從機(jī)可以同時(shí)置放在多處地方，均能夠?qū)崟r(shí)同步監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)硬件總體組成架構(gòu)

1.2 STM32系統(tǒng)

MCU采用電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作核心芯片STM32F103ZET6。該MCU使用32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，LQFP144封裝，72MHz工作頻率，擁有512k Flash、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12bitADC、USB、CAN、UART等。對(duì)于目前系統(tǒng)該MCU的資源顯得冗余，實(shí)際項(xiàng)目中可以使用STM32F103RCT6等M0內(nèi)核且管腳較少的MCU，也可以用MSP430，PIC、HolTek、STC等公司的單片機(jī)替代。

最小系統(tǒng)使用8MHz晶振與32.768KHz的RTC晶振、復(fù)位電路、BOOT啟動(dòng)電路、JTAG下載接口、鍵盤與LED、電源轉(zhuǎn)換電路等。[1]

1.3 K型熱電偶的溫度測(cè)量與溫度選擇通道

K型熱電偶是由2種金屬材料鎳鉻與鎳硅以及延長(zhǎng)補(bǔ)償導(dǎo)線構(gòu)成的測(cè)溫傳感器裝置[2]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有穩(wěn)定性和重復(fù)性好、抗氧化性能強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)K型熱電偶溫度測(cè)量采用MAXIM公司設(shè)計(jì)的、帶有冷端溫度補(bǔ)償?shù)腒型熱電偶轉(zhuǎn)換芯片MAX6675，其測(cè)溫范圍為0-1024℃，精度0.25℃，12bit分辨率，SPI接口，內(nèi)置冷端溫度補(bǔ)償與校正電路，可以有效消弱熱電偶導(dǎo)線引入的噪聲，內(nèi)置ADC把熱電偶的電動(dòng)勢(shì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)字信號(hào)，通過SPI總線與MCU通信，讀出溫度值。

圖2為其中一路熱電偶測(cè)量采集電路。MAX6675的通信控制線有3根，分別為SO信號(hào)線、SCK時(shí)鐘線、CS片選線。MCU通過控制CS片選線電平來輪詢讀取32路或以上熱電偶信號(hào)。

圖2 MAX6675測(cè)量電路

系統(tǒng)中使用2片74HC154譯碼器，芯片在PIN18與PIN19門控管腳低電平時(shí)有效，PIN20-PIN23為4路輸出選擇控制引腳，分別連接ABCD 4路信號(hào)，電路圖如圖3所示。

圖3 MAX6675片選信號(hào)選擇電路

電路中把2個(gè)門控管腳連接在一起實(shí)現(xiàn)“線與”，只要一個(gè)控制信號(hào)即可控制這2個(gè)管腳。MCU使用6個(gè)GPIO口分別連接到G0/G1/A/B/C/D信號(hào)端，以控制2片74HC154譯碼器32路信號(hào)的輸出，達(dá)到控制32路熱電偶測(cè)量芯片的CS管腳電平。邏輯真值表如表1所示。

表1 通道選擇控制邏輯真值表

當(dāng)G0與G1都為高電平時(shí)，32路熱電偶通道均未選中；當(dāng)G0=0，G1=1時(shí)，CS16-CS31未選中，CS0-CS15通過ABCD信號(hào)選擇控制信號(hào)任意時(shí)刻選中其中一路熱電偶通道，如ABCD=0111時(shí)，選中CS7通道，其他通道類似；當(dāng)G0=1，G1=0時(shí)，CS0-CS15未選中，CS16-CS31通過ABCD信號(hào)選擇控制信號(hào)任意時(shí)刻選中其中一路熱電偶通道，如ABCD=0111時(shí)，選中CS23通道，其他通道類似。系統(tǒng)如果需要擴(kuò)展通道數(shù)，可以繼續(xù)增加74HC154芯片，每增加一片芯片，可以增加16路通道。

1.4 LoRa模塊的選用與配置

傳感網(wǎng)中通信技術(shù)有Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi等，低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）有3G、4G、NB-IOT、LoRa等。由于LoRa技術(shù)具有免通信費(fèi)、長(zhǎng)距離、低功耗等特點(diǎn)，在局域組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用。LoRa技術(shù)是美國(guó)Semtech公司提供的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。[3]這種方案解決了傳統(tǒng)無線技術(shù)中傳輸距離遠(yuǎn)與功耗低之間的矛盾，為用戶提供了一種既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，又可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電池壽命與大容量的系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前LoRa主要運(yùn)行在包括433、868、915MHz等ISM免費(fèi)頻段上。

本系統(tǒng)無線傳輸選用正點(diǎn)原子公司的ATK-LORA-01模塊。該模塊采用SX1278擴(kuò)頻芯片，工作頻率為410MHz-441MHz，以1MHz頻率為步進(jìn)間隔分為32個(gè)信道，雙512環(huán)形FIFO，最大發(fā)射功率20dBm（約100mW），通信距離達(dá)3km，組網(wǎng)最多可配置65536個(gè)地址，支持廣播和定向傳輸，使用UART串口與MCU通信，支持從1200-115200共8種波特率。選用模塊除電源管腳與串口管腳外，還有2個(gè)管腳分別為MDO與AUX，用于配置與指示，如表2所示。

表2 LoRa模塊引腳功能

模塊共有4種通信模式：模式0為一般模式，即無線透?jìng)髂Ｊ?，接收方必須是模?或1；模式1為喚醒模式，與模式0唯一的區(qū)別是數(shù)據(jù)包發(fā)射前，自動(dòng)增加喚醒碼，這樣才能喚醒工作在模式2的接收方；模式2為省電模式，串口接收關(guān)閉，無線處于空中喚醒模式，收到無線數(shù)據(jù)后才能打開串口發(fā)出數(shù)據(jù)，發(fā)射方必須是模式1，該模式下串口接收關(guān)閉，不能無線發(fā)射；模式3為信號(hào)強(qiáng)度模式，該模式下可以查看通訊雙方的信號(hào)強(qiáng)度，接收方必須是模式0或1。

MCU或串口工具軟件可通過AT指令修改或查詢串口波特率、發(fā)射功率、空中速率、工作模式等各種參數(shù)。如“AT+MODEL”是查詢?cè)O(shè)備型號(hào),“AT+RESET”使得復(fù)位模塊,“AT+TPOWER=3”設(shè)置模塊發(fā)射功率為3檔（20dBm）,“AT+ADDR=12,AB”把模塊地址設(shè)置為0X12AB,“AT+CWMODE=1”配置模塊工作模式為模式1，“AT+WLRATE=24,2”配置通信信號(hào)為24以及無線速率為2檔2.4kbps。

1.5 人機(jī)交互迪文屏與串口通信

工控串口屏目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能家電等，MCU或串口助手只需要通過串口便可以輕松實(shí)現(xiàn)所需要的人機(jī)顯示界面。本項(xiàng)目使用湖南迪文公司的串口屏DMT48270C043_04WN。該屏為4.3寸65K色TFT顯示，分辨率為480×270像素，384Kbytes字庫(kù)空間，512Kbytes圖片與圖標(biāo)存儲(chǔ)空間，支持SD卡載入圖片與圖標(biāo)庫(kù)，支持顯示二維碼。

通信串口數(shù)據(jù)幀由幀頭、指令、數(shù)據(jù)、幀結(jié)束符4部分組成，幀頭固定為0XAA，幀結(jié)束符固定為0XCC33C33C。不同的功能有不同的指令碼，如字符串文本顯示指令為0X11，數(shù)據(jù)格式為（Mode，Color，Bcolor，（x，y），Strings）；變量文本顯示的數(shù)據(jù)格式為（Mode，Color，Bcolor，Num_I，Num_F，（x，y），Datas）；二維碼指令為0X21，JPEG圖片指令為0X22，圖標(biāo)庫(kù)指令為0X23。所使用的主要庫(kù)函數(shù)如圖4所示。

圖4 迪文串口屏庫(kù)函數(shù)

2 軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

程序設(shè)計(jì)的主機(jī)部分程序如圖5所示，主要任務(wù)是初始化硬件，包括時(shí)鐘、RTC、2個(gè)串口、定時(shí)器、SPI、按鍵與LED等的初始化，然后根據(jù)按鍵掃描切換頁(yè)面與設(shè)定值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘，定時(shí)采集并顯示32路熱電偶溫度，通過LoRa發(fā)送該地址主機(jī)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)。溫度采集采用多次采集濾波處理的方法來減小誤差。從機(jī)打開串口中斷接收，收到數(shù)據(jù)后在屏幕中顯示，或做其他報(bào)警處理。LoRa模塊測(cè)試時(shí)配置為透明傳輸，實(shí)際組網(wǎng)時(shí)配置為模式2之省電模式。

圖5 主機(jī)程序流程圖

由于實(shí)驗(yàn)室條件所限，高溫測(cè)量使用帶PID控制的溫控焊臺(tái)配合Bakon191測(cè)溫臺(tái)，常溫采用常規(guī)水銀溫度計(jì)。受限于測(cè)量環(huán)境條件，測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定誤差與跳變，如表3所示。但是理論上MAX6675精度足夠，選用來源可靠的熱電偶，加上合適的算法，可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

表3 對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

編程時(shí)注意串口屏顯示函數(shù)盡量不要在主程序與定時(shí)器里嵌套使用，否則可能會(huì)產(chǎn)生亂碼。在連續(xù)發(fā)送顯示時(shí)加延時(shí)間隔，可提高接收處理可靠性。

3 結(jié)語

LoRa與NB-IOT均屬于低功耗廣域網(wǎng)。由于發(fā)射功率與型號(hào)不同，部分LoRa模塊在空曠條件下有效傳輸距離可達(dá)到15km。LoRa雖然與NB-IOT在硬件上有所區(qū)別，但均屬于窄帶通信，而且工作在免費(fèi)頻段。

由于溫度測(cè)試條件有限，本項(xiàng)目目前只是依賴于處理芯片公布的參數(shù)，在精度上可能存在一定的不確定性，但是可以為企業(yè)多路溫度測(cè)量的遠(yuǎn)距離傳輸提供一種新的方法與思路。