基于LoRa的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

紀華志 袁江南 蘭冠杰

廈門理工學院光電與通信工程學院 福建廈門 361000

隨著LoRa網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成功全面部署與使用，德國為其問題找到了可行的解決辦法，也極大地推動了該國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，進而帶動了世界LoRa技術(shù)的蓬勃發(fā)展。近年來，中國在LoRa網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上也取得了階段性的進步，已經(jīng)成立了國內(nèi)LoRa應用聯(lián)盟，我國將進一步拓展LoRa平臺的業(yè)務發(fā)展，這將表明LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國具有更加廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案與論證

系統(tǒng)總體方案如圖1所示，圖中共有兩個數(shù)據(jù)采集節(jié)點可通過LoRa技術(shù)同時向數(shù)據(jù)接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，各類傳感器通過I2C、UART等通信方式與節(jié)點傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收端接收數(shù)據(jù)包并解析其環(huán)境信息，通過UDP協(xié)議連接同一Wi-Fi環(huán)境下的PC端上位機并發(fā)送數(shù)據(jù)包，再通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)包上傳至云端。系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

圖2 硬件框圖

1.1 控制模塊設(shè)計

核心控制器是ESP32-D0WD，該處理器采用兩個哈佛結(jié)構(gòu)的Xtensa LX6 CPU組成雙核處理器。還集成了雙極化天線、射頻Balun、高功率放大電路、低噪音放大器、濾波器和電源管理模塊。電路原理圖如圖3所示，包括單片機最小系統(tǒng)、復位電路、USB接口。

(a)核心控制器原理圖

(b)

(c)圖3 核心器件原理圖

1.2 LoRa模塊設(shè)計

ATK-LoRa-01模組是由ALIENTEK出品的一種尺寸小、微電源、低耗電量、效率高的遠距離LoRa無線串行接口模組。模塊主要優(yōu)點是，使用了最新型的ISM頻段射頻SX1278擴頻組件，系統(tǒng)的實際工作頻率范圍為410～441Mhz，以每Mhz頻段為步進信道，共三十二個通道?？梢允褂肁T指令實時調(diào)節(jié)串口頻率，調(diào)整發(fā)射功率，高空中速度，操作模式等多個技術(shù)參數(shù)，同時支持固件更新功能。電路原理圖如圖4所示。

圖4 LoRa模塊原理圖

1.3 傳感器模塊電路設(shè)計

溫濕度傳感器：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器如圖5是一款帶有已校準數(shù)字信息輸入輸出功能的溫濕度檢測綜合感應器。光強度傳感器：BH1750FVI，是一個使用兩線型串行總線連接器的數(shù)字型光力度感應器集成電路，如圖6。

圖5 DHT11模塊原理圖

空氣質(zhì)量檢測傳感器：SGP30是一款在單一晶片上帶有幾個感應器部件的新型金屬氧化室內(nèi)廢氣感應器，如圖7。

圖7 SGP30模塊原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集發(fā)送端在系統(tǒng)中有兩個，分別命名為節(jié)點A與節(jié)點B,它們的程序運行流程圖如圖8所示。首先對所使用到的外設(shè)進行初始化，包括USART、I2C以及各類傳感器，隨后讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)、光照強度傳感器值，讀取空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)并帶入相關(guān)算法中計算出氣體濃度。數(shù)據(jù)讀取完成后打包成字符數(shù)組，并設(shè)立協(xié)議標明節(jié)點號、起始位及終止位，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.2 數(shù)據(jù)接收端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)接收端的主要設(shè)計任務為：LoRa模塊監(jiān)聽節(jié)點數(shù)據(jù)，實時接收節(jié)點數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至PC端和云端。其程序運行流程圖如數(shù)據(jù)采集發(fā)送端流程圖圖9所示。首先對USART、Wi-Fi進行初始化，配置數(shù)據(jù)心跳包，隨后監(jiān)聽串口LoRa模塊數(shù)據(jù)。當串口接收到數(shù)據(jù)時，接收完整數(shù)據(jù)包后判斷其節(jié)點號，根據(jù)其數(shù)據(jù)更新并上傳心跳包并通過UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)包至上位機解包分析。

圖8 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端流程圖

圖9 數(shù)據(jù)接收端流程圖

2.3 上位機軟件設(shè)計

上位機GUI設(shè)計如圖10所示。

圖10 上位機GUI設(shè)計

Matlab上位機可以通過無線Wi-Fi將數(shù)據(jù)接收端接入網(wǎng)絡(luò)，在同一局域網(wǎng)內(nèi)，上位機可通過UDP協(xié)議實時獲取環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)。UDP是在OSI參考模式中一個無連接的傳輸層協(xié)定，它在主要應用于不需要按分類次序到達的消息傳送中，以分組傳送次序的檢查和排序為應用級實現(xiàn)，提出了面向事務的單純而不可靠性消息傳送業(yè)務。UDP協(xié)定，基本都是指IP協(xié)定中與上層協(xié)議的連接，DP報文沒有可靠性保護、秩序保證和流量限制字段等，因此安全性不好。不過也由于UDP協(xié)定的限制選項較小，在數(shù)據(jù)傳輸流程中延時小、數(shù)據(jù)傳輸工作效率較高。

3 系統(tǒng)測試

溫濕度變化情況如圖11所示，其中濕度尖峰為向節(jié)點傳感器呼氣產(chǎn)生，而溫度變化不大，符合實際情況。

圖11 溫度變化情況折線圖

空氣質(zhì)量變化情況如圖12～圖14所示，正常情況下有害氣體含量以及二氧化碳含量穩(wěn)定保持在正常標準，其中尖峰為向節(jié)點傳感器呼氣產(chǎn)生，由折線圖可看出其變化情況顯著，能夠達到空氣質(zhì)量檢測目的。

圖12 濕度變化情況折線圖

圖13 有害氣體含量變化折線圖

圖14 二氧化碳含量變化折線圖

結(jié)語

本文結(jié)合LoRa技術(shù)，研究并設(shè)計了一種基ATK-LoRa模塊的實時環(huán)境質(zhì)量檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)接收端、上位機三個部分組成，針對環(huán)境質(zhì)量中的多個物理量進行多點實時監(jiān)測。本設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其體積較小，只有125mm×84mm×30mm，占用空間極小，便于安放，設(shè)備成本低，整套雙節(jié)點設(shè)備成本為兩百元以內(nèi)。采用了基于LoRa技術(shù)的傳輸方式，將長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸膹V域網(wǎng)和微控制器技術(shù)相結(jié)合，有效地解決了數(shù)據(jù)傳輸距離的問題。并結(jié)合了MQTT技術(shù)，將所采集的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)即時發(fā)送至云端，使用手機即可訂閱和顯示，應用起來也更加方便。