LoRa通信在烤煙控制器中的應(yīng)用

李 勇,李園園

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 中山 528404)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的煙草生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家,煙葉作為一種傳統(tǒng)的農(nóng)作物,是我國(guó)部分地區(qū)(如云南、陜西、貴州等)的重要經(jīng)濟(jì)來源[1]。烤煙制作過程存在多個(gè)環(huán)節(jié),其中烘烤這一環(huán)節(jié)決定了烤煙的品質(zhì)。我國(guó)煙草烤房主要以傳統(tǒng)烤房為主,由煙農(nóng)因地制宜而建,監(jiān)控管理的手段相對(duì)落后。隨著煙葉生成規(guī)模化的形成,煙葉生產(chǎn)的智能化監(jiān)控改造存在較大的市場(chǎng)空間。最初期的烤房以人工控制為主,憑煙農(nóng)的經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)烤房的烤制流程和烤制過程中的溫濕度,對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)要求比較高,烤煙品質(zhì)難做到統(tǒng)一,也比較耗費(fèi)勞動(dòng)力成本。后來發(fā)展出了現(xiàn)代化烤房[2],這些烤房采用先進(jìn)的烤制設(shè)備和技術(shù),具備自動(dòng)控制溫濕度、通風(fēng)等功能,大大節(jié)省了勞動(dòng)力成本。但在烤房比較分散的情況下,要全面監(jiān)控多個(gè)烤房也有一定的困難。本文設(shè)計(jì)了一種基于長(zhǎng)距離無線通信(Long Range Radio,LoRa)技術(shù)的烤房控制器,LoRa無線通信技術(shù)低功耗、遠(yuǎn)距離組網(wǎng)的特點(diǎn)很好地解決了分散建設(shè)的烤房難以集中管理的問題[3]。

1 LoRa技術(shù)概述

LoRa是一種無線通信技術(shù),專為低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。LoRa技術(shù)通過使用長(zhǎng)距離、低功耗和低速率的調(diào)制方式,在城市范圍內(nèi)或農(nóng)村地區(qū)提供遠(yuǎn)距離的無線連接以滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的需求。LoRa技術(shù)的主要包括以下特點(diǎn)。

1.1 長(zhǎng)距離傳輸

LoRa技術(shù)具備卓越的傳輸距離,能夠在城市范圍內(nèi)提供數(shù)千米的傳輸覆蓋,甚至在農(nóng)村地區(qū)能夠達(dá)到數(shù)十千米的傳輸距離,具備較強(qiáng)的穿透能力。

1.2 低功耗

LoRa技術(shù)采用了低功耗的通信機(jī)制,使得其非常適用于物聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要的能量較少,因此可以使用低功耗的電池供電,使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具備較長(zhǎng)的工作壽命。

1.3 低速率

LoRa技術(shù)的傳輸速率相對(duì)較低,一般在0.3～50 kbps。雖然速率較慢,但對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說是足夠的,因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)通常需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小,重點(diǎn)在于長(zhǎng)距離的連接和低功耗的特性。

1.4 頻譜效率

LoRa技術(shù)充分利用了頻譜資源,通過優(yōu)化調(diào)制方式和信號(hào)處理算法,實(shí)現(xiàn)了較高的頻譜效率。這意味著在相同的頻譜帶寬下,LoRa技術(shù)可以支持更多的設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容能力

LoRa技術(shù)支持大規(guī)模的設(shè)備連接,具備優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容能力。無線基站可以支持上千個(gè)連接設(shè)備,并且網(wǎng)絡(luò)能夠快速應(yīng)對(duì)設(shè)備數(shù)量的增加而進(jìn)行擴(kuò)展。

從以上幾點(diǎn)可以看出LoRa技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景,如智能灌溉系統(tǒng)、土壤濕度監(jiān)測(cè)、氣象數(shù)據(jù)采集等。利用LoRa通信,可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

2 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由鼓風(fēng)機(jī)、排氣扇、熱風(fēng)循環(huán)機(jī)等組成;控制系統(tǒng)部分主要由電源、備用電源、STM32單片機(jī)、LoRa模塊、溫度傳感器、多路選擇開關(guān)、濕度傳感器、LCD顯示模塊及薄膜鍵盤、聲光報(bào)警器等組成。

控制系統(tǒng)以STM32f103為主控制器,利用溫度傳感器與濕度傳感器進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)在LCD終端顯示,方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控烤房?jī)?nèi)溫濕度的變化。同時(shí),烤房?jī)?nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)可以通過LoRa模塊傳送至烤房集中監(jiān)控單元,方便用戶足不出戶遠(yuǎn)程監(jiān)控各個(gè)烤房的運(yùn)行情況,極大提高生產(chǎn)效率。STM32F103主控制器可以遵循煙葉烘烤過程中的最佳溫濕度控制曲線,分別控制送煤、鼓風(fēng)、排風(fēng)、排濕等機(jī)械裝置,控制烤房?jī)?nèi)的溫濕度跟蹤設(shè)定的最佳溫濕度控制曲線,提高烤煙品質(zhì)?？痉靠刂破鞯恼w硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

系統(tǒng)整體控制思路如下:濕度傳感器和溫度傳感器各類總線接口把測(cè)得的濕度和溫度傳送給STM32單片機(jī)。單片機(jī)把傳感器測(cè)得的溫濕度與預(yù)先設(shè)定的溫濕度值做比較,通過模糊控制算法得到輸出量。由STM32單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路,控制熱風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、排氣扇、煙道門等設(shè)備的輸出,從而控制烤房?jī)?nèi)的溫濕度去跟蹤設(shè)定值。

2.1 單片機(jī)的選型

系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控芯片,是一款成本低、功能強(qiáng)的單片機(jī)。STM32F103C8T6是一款由意法半導(dǎo)體Stmicroelectronics設(shè)計(jì)的芯片。它采用了Cortex-M3內(nèi)核,主頻為72 MHz,內(nèi)存包括64 KB閃存、20KBSRAM和2KBEEPROM。STM32F103C8T6廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中,具有復(fù)雜控制和算法的處理器,如工控系統(tǒng)、機(jī)器人和電動(dòng)機(jī)控制等。其主要功能包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)、定時(shí)器和中斷控制器(TIM)、串行通信接口(USART)。此外,還擁有許多具有創(chuàng)新性和高性能的特性,如高速I/O端口、嵌入式硬件分支預(yù)測(cè)等。

2.2 LoRa模塊與組網(wǎng)

LoRa模塊采用澤耀的A39C-T400A。該模塊具有如下特點(diǎn):

(1)頻率范圍為410～525 MHz。

(2)發(fā)射功率22 dBm。

(3)直線發(fā)射距離可達(dá)5 km。

(4)支持廣播、定點(diǎn)、主從、中繼等多種模式。

(5)具有定時(shí)喚醒、連續(xù)傳播的工作模式。

(6)支持AES加密,雙RSSI包,組包可配。

(7)支持4級(jí)可調(diào)功率。

(8)休眠電流為2.4 μA。

(9)提供UART接口,方便與單片機(jī)等控制器交換數(shù)據(jù)。

以上特性決定了該模塊適合對(duì)低流量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍組網(wǎng)。特別適合偏遠(yuǎn)地區(qū),4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋較低的地方實(shí)現(xiàn)低成本、遠(yuǎn)距離工農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集。主控單片機(jī)與LoRa模塊通信方式,如圖2所示;LoRa模塊間的組網(wǎng)模式,如圖3所示。

圖2 LoRa通信方式

圖3 LoRa組網(wǎng)模式

LoRa模塊A39C-T400A與STM32F103單片機(jī)采用串口的通信方式,在單片機(jī)側(cè)使用串口通信協(xié)議。這個(gè)接口方法電氣連接簡(jiǎn)單靈活,可以實(shí)現(xiàn)熱插拔,便于更換模塊。

LoRa組網(wǎng)采用定點(diǎn)組網(wǎng)的方式,如圖3所示。LoRa終端1通過串口與遠(yuǎn)程監(jiān)控端的PC機(jī)通信,所有數(shù)據(jù)均匯聚于此,以便于客戶遠(yuǎn)程監(jiān)控分布在各處所有烤房的狀態(tài)。終端5與終端1的距離超過其最大通信距離,在設(shè)計(jì)中將終端3設(shè)計(jì)為中繼站,可以接收終端5指向該終端3的數(shù)據(jù),并將終端5的數(shù)據(jù)與終端3自身采集數(shù)據(jù)打包發(fā)送給終端1,再由終端1發(fā)送給監(jiān)控端。其他不能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給終端1的終端也采用此類數(shù)據(jù)傳送方式,從而實(shí)現(xiàn)大范圍的監(jiān)控。

2.3 溫濕度傳感器

濕度傳感器采用干濕球濕度計(jì),濕度計(jì)以4～20 mA電流送給單片機(jī),經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路后,送至單片機(jī)AD端口,實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的數(shù)字化采集。

溫度傳感器采用DS18B20。該傳感器能夠以數(shù)字形式測(cè)量溫度,并通過單總線接口與微控制器或計(jì)算機(jī)通信。DS18B20具有以下特點(diǎn)。

2.3.1 高精度

傳感器使用的數(shù)字式溫度傳感技術(shù),具有較高的溫度測(cè)量精度?？梢栽?55～+125 ℃的范圍內(nèi)測(cè)量溫度,精度可達(dá)±0.5 ℃。

2.3.2 單總線接口

DS18B20通過單個(gè)數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信,這極大地簡(jiǎn)化了連接和控制的復(fù)雜性。單總線接口還支持多個(gè)傳感器在同一數(shù)據(jù)線上并聯(lián)連接。

2.3.3 可編程分辨率

傳感器的分辨率可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行編程。分辨率越高,溫度讀數(shù)的精度就越高,但傳輸速率也會(huì)變慢。

2.3.4 電源供應(yīng)

DS18B20可以使用3.0～5.5 V的供電電壓,適合各種不同的系統(tǒng)。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路元件

單片機(jī)的輸出采用光電隔離芯片MOC3021。MOC3021的輸出控制側(cè)驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管MAC93A6,再由MAC93A6作為開關(guān)控制各被控設(shè)備如循環(huán)風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、煙道門、排氣扇等。

3 軟件流程

烤煙控制器的軟件設(shè)計(jì)可分為:系統(tǒng)初始化子程序、參數(shù)設(shè)置子程序、系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)子程序、LCD顯示子程序、LoRa通信子程序、溫濕度檢測(cè)子程序、輸出控制子程序等,可將常用的數(shù)條工藝曲線存儲(chǔ)在芯片中[4]。

(1)系統(tǒng)初始化子程序主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、意外斷電恢復(fù)檢測(cè),上電后對(duì)所處烤煙階段進(jìn)行恢復(fù)并確認(rèn)。

(2)參數(shù)設(shè)置子程序調(diào)整設(shè)定的溫濕度曲線,控制流程等。

(3)系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)子程序存儲(chǔ)設(shè)定的參數(shù)、定時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前烤煙階段和狀態(tài)。

(4)LCD顯示子程序顯示參數(shù)和狀態(tài)。

(5)LoRa通信子程序定時(shí)通過串口控制LoRa模塊向遠(yuǎn)程監(jiān)控端發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)。

(6)溫濕度檢測(cè)子程序定時(shí)掃描傳感器數(shù)據(jù)。

(7)控制子程序通過設(shè)定值與當(dāng)前各傳感器數(shù)據(jù),經(jīng)模糊控制算法,控制各輸出設(shè)備的狀態(tài)。

系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)烤煙控制器的基礎(chǔ)上,將51單片機(jī)換成了STM32F103作為主控單片機(jī),系統(tǒng)電路更加簡(jiǎn)單但是性能上實(shí)現(xiàn)了極大的提升,具有較高的性價(jià)比。本系統(tǒng)增加了LoRa模塊,實(shí)現(xiàn)了即使在移動(dòng)通信不發(fā)達(dá)的地區(qū),也能實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的組網(wǎng),使用戶能在遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控各個(gè)烤房的工作狀態(tài),極大地提高便利性,同時(shí)減少了勞動(dòng)成本開支。