基于LoRa的室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

崔文巖，康 明，梁書溢，周 德，何小宇，唐德東

（重慶科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展以及我國污染防治工作的重點推進，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求進一步加大。目前，室外環(huán)境監(jiān)測多為較大范圍的局域網(wǎng)（如工業(yè)園區(qū)、水庫），傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)WiFi、ZigBee和Bluetooth均存在傳輸距離相對較短、易受干擾等問題。LoRa是一種新型低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)，具有通信距離遠（理論距離最遠可達15 km）、組網(wǎng)方便、超低功耗和抗干擾能力強等特點，可以很好地解決上述問題。

本文提出將LoRa低功耗局域網(wǎng)與GPRS遠距離廣域網(wǎng)相結(jié)合的監(jiān)測方案。環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)均采用低功耗STM32F103作為中央處理器，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點在局域網(wǎng)內(nèi)采用LoRa無線通信，網(wǎng)關(guān)使用GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離上傳功能，云服務(wù)器采用中移OneNET平臺，并根據(jù)需求搭建數(shù)據(jù)可視化界面，以便管理員日常查看、管理。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、網(wǎng)關(guān)和云平臺組成。節(jié)點與網(wǎng)關(guān)采用TDMA（時分多址）進行星型組網(wǎng)，節(jié)點的中央處理器將采集到的不同傳感器數(shù)據(jù)按照Modbus通信協(xié)議融合，再利用LoRa無線通信將數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行解析后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，云平臺將數(shù)據(jù)實時展示和存儲，若監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預(yù)警閾值會觸發(fā)預(yù)警信號。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計

本次設(shè)計的數(shù)據(jù)采集節(jié)點單元硬件主要由中央處理器、電源、傳感器、LoRa模塊組成。節(jié)點電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

中央處理單元采用STM32F103C8T6芯片，該芯片主頻72 MHz，外設(shè)較多，可以滿足傳感器數(shù)據(jù)的采集和LoRa無線通信的基本要求。

電源模塊主要實現(xiàn)處理器和傳感器外設(shè)的供電。由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，地點不固定，可采用18650鋰電池供電，采用4.5 W單晶硅太陽能電池板為鋰電池充電。

LoRa無線通信模塊采用SXl278芯片：其工作在410～441 MHz頻段，擁有一般模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式可供選擇，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口與MCU通信，具有抗干擾能力強、功耗低等特點。LoRa模塊電路原理如圖3所示。MOSI為主機輸出從機輸入，MISO為主機輸入從機輸出，SEL為片選，CLK為時鐘，D0～D7為數(shù)據(jù)輸出端口。

圖3 LoRa模塊電路原理

傳感器模塊主要用于監(jiān)測空氣中的溫濕度和二氧化硫含量。其中，溫濕度傳感器采用奧松公司出品的DHT11，PM傳感器采用精訊暢通公司出品的JXM-300-SO2。傳感器具體參數(shù)見表1所列。

表1 傳感器參數(shù)

2.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是環(huán)境采集節(jié)點和后臺服務(wù)器通信的橋梁，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)關(guān)主要由電源管理單元、中央處理器、LoRa通信模塊、GPRS通信模塊以及顯示模塊組成。由于網(wǎng)關(guān)無需上傳和接收高頻次數(shù)據(jù)，故處理器和LoRa模塊采用與節(jié)點一致的STMF103芯片、SX1278芯片。

圖4 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

GPRS通信模塊將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)遠距離上傳。本設(shè)計采用果云GA6-B模塊，其支持AT指令串口發(fā)送，具有GSM預(yù)警短信功能和GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，體積較小、功耗低、溫度范圍廣、抗干擾能力強，其電路原理如圖5所示。

圖5 GA6-B電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集過程中，節(jié)點需連接多種類型的傳感器，所采集得到的信息格式不盡相同。為保證數(shù)據(jù)上傳的正確性與快速性，必須采用同一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議以適應(yīng)異構(gòu)傳感器。本設(shè)計采用Modbus通信協(xié)議RTU模式，與ASCII模式相比，前者在相同的傳輸速率下可以傳輸更多數(shù)據(jù)，具體格式如圖6所示。RTU模式共有11位，第1位為起始位，中間為8位數(shù)據(jù)位，最后兩位為校驗位和停止位，校驗位可以選擇奇偶校驗或無校驗。數(shù)據(jù)位包含網(wǎng)關(guān)地址、從機地址、數(shù)據(jù)內(nèi)容和CRC校驗位，最多256 B。數(shù)據(jù)位中CRC校驗位的作用是進一步保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖6 Modbus通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

3.2 LoRa組網(wǎng)設(shè)計

為降低組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)控制邏輯的復(fù)雜度，LoRa通信網(wǎng)絡(luò)采用星型組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信，節(jié)點之間不進行數(shù)據(jù)交互。

由于各節(jié)點工作在同一頻段，若不進行時隙分配，將可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)交疊。節(jié)點組網(wǎng)可通過ALOHA和CSMA/CA競爭機制典型算法或固定時隙分配TDMA算法。但前者隨著采集節(jié)點的增多，將導(dǎo)致傳輸延遲增加（多個節(jié)點同時占用一個信道）。而后者，網(wǎng)關(guān)為每個節(jié)點分配一段時間片，在該段時間片內(nèi)，只允許該節(jié)點進行數(shù)據(jù)上傳，從而避免節(jié)點之間的數(shù)據(jù)沖突問題。時隙分配如圖7所示。在每節(jié)點上傳數(shù)據(jù)后設(shè)置一個安全時隙，防止2個節(jié)點之間由于時鐘漂移導(dǎo)致數(shù)據(jù)交疊。

圖7 時隙分配圖

3.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主要功能是各傳感器數(shù)據(jù)的采集與上傳，其工作流程如圖8所示。系統(tǒng)初始化后，節(jié)點申請加入網(wǎng)關(guān)，隨后開啟定時器進行計時，進入低功耗待機模式，等待設(shè)定發(fā)送時間的到來。再按照設(shè)計的數(shù)據(jù)幀格式進行封裝融合，根據(jù)設(shè)定的通信頻段和信道進行數(shù)據(jù)上傳，之后進入低功耗模式，等待下一次發(fā)送時間的到來。

圖8 節(jié)點采集與發(fā)送流程

3.4 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主要功能是接收節(jié)點數(shù)據(jù)和打包上傳，其工作流程如圖9所示。系統(tǒng)初始化后進入低功耗模式，等待節(jié)點上傳信號觸發(fā)中斷服務(wù)函數(shù)，解析數(shù)據(jù)并顯示，GPRS模塊與云平臺建立TCP連接后，按照MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)上傳，發(fā)送完成后進入低功耗模式，等待下一輪循環(huán)。

圖9 網(wǎng)關(guān)工作流程

3.5 云平臺展示設(shè)計

云平臺用于實現(xiàn)監(jiān)測信息的展示和數(shù)據(jù)存儲功能。網(wǎng)關(guān)采用更輕量級的MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至OneNET服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)解析校驗后，再利用VIEW3.0功能模塊，通過拖拉組件的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示界面，以便用戶直觀觀察數(shù)據(jù)變化情況。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 節(jié)點與網(wǎng)關(guān)工作測試

為測試節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)采集和上傳功能，將節(jié)點放置于現(xiàn)場環(huán)境，實時采集室外溫濕度和PM含量，工作測試如圖10所示。節(jié)點將采集的溫濕度和PM數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行對比，均在正常的誤差范圍之內(nèi)。此外，網(wǎng)關(guān)（圖10（a））、節(jié)點（圖10（b））兩者顯示溫度、濕度、PM數(shù)據(jù)分別均為26 ℃、58%和85 μg/m，測試結(jié)果證明，節(jié)點能正常采集數(shù)據(jù)并上傳，網(wǎng)關(guān)能準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。

圖10 網(wǎng)關(guān)與節(jié)點工作圖

4.2 節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信質(zhì)量測試

為測試LoRa無線通信不同距離下的通信質(zhì)量，選擇較寬闊的場地進行試驗。在不同的通信距離下，節(jié)點每隔5 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，共計500次。統(tǒng)計網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)，利用公式（1）計算數(shù)據(jù)丟包率。測試數(shù)據(jù)結(jié)果見表2所列。

表2 通信測試質(zhì)量表

式中：代表數(shù)據(jù)丟包率；代表節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)總個數(shù)；代表網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)個數(shù)。

試驗結(jié)果表明：LoRa無線通信在700 m左右時無數(shù)據(jù)包丟失，在超過900 m時丟包率逐漸增大，特別是1 km以外，數(shù)據(jù)包丟失較嚴(yán)重，丟包率超6%。為保證高質(zhì)量通信效果，建議采集節(jié)點在900 m以內(nèi)。

4.3 云平臺數(shù)據(jù)展示測試

為測試云平臺實時監(jiān)測功能，測試過程中以溫度實時監(jiān)測為例。為突出試驗效果，設(shè)定每隔20 s上傳一次數(shù)據(jù)，溫度實時監(jiān)測如圖11所示。觀察可得溫度在6月8日16：28之前較穩(wěn)定，在16：29時溫度出現(xiàn)上升趨勢，在16：30時穩(wěn)定在31 ℃，說明傳感器較靈敏，云平臺實時監(jiān)測性較好。此外，還可以在左上角選擇相應(yīng)的時間查看歷史數(shù)據(jù)，其界面如圖12所示。經(jīng)測試，數(shù)據(jù)可視化界面可以實時展示溫濕度、PM含量變化情況，界面如圖13所示。

圖11 溫度實時監(jiān)測界面

圖12 歷史查詢界面

圖13 上位機監(jiān)控界面

5 結(jié) 語

本文將LoRa和GPRS通信技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)無線通信技術(shù)通信距離短、組網(wǎng)難、成本高、功耗大、抗干擾能力差等問題。也進一步介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠距離上傳和云平臺展示。試驗表明，本系統(tǒng)具有實時性好、覆蓋范圍廣等特點，與傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)相比優(yōu)勢顯著，因此，值得推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域。