LoRa技術在礦井溫濕度監控系統中的應用

鄧從龍+朱成杰

摘 要：針對目前煤礦井下無線傳感器網絡傳輸距離短、功耗大、易受干擾等不足，提出了一種LoRa技術在礦井溫濕度監控系統中的應用方案，實現數據遠距離傳輸。詳細介紹了主要模塊的軟硬件以及低功耗設計。該系統具有可靠性強，信號穿透能力強，電池使用壽命長等優點。

關鍵詞：無線傳感器網絡；LoRa；溫濕度；低功耗

0 引言

隨著無線通信技術的發展，人們對無線通信技術的要求越來越高。LoRa技術一經面世就以其遠距離、低功耗、抗干擾、低成本的特點備受青睞。為了保障煤礦作業的安全生產，對礦井內溫濕度環境參數的監測是至關重要的[1]。隨著煤礦安全監測水平的提高，當前煤礦安全狀況得到了明顯的好轉[2]。但是目前溫濕度環境參數監測系統采用ZigBee無線通信技術來實現，存在一些不足：（1）點到點傳輸距離短： ZigBee傳輸距離增加，需要通過多跳形式或者使用功率放大器來減少跳數從而來實現遠距離傳輸，這增加了成本；（2）ZigBee技術使用2.4G免執照頻段容易受到其他設備的干擾。

針對目前采用ZigBee無線通信技術監測環境溫濕度的不足，本文提出了基于LoRa技術可以實現礦井下遠距離實時傳輸溫濕度。

1 溫濕度監控系統設計方案

本溫濕度監控系統是由從機模塊、主機模塊、PC監控系統組成。從機模塊的溫濕度傳感器采集到礦井中的溫度與濕度通過無線方式把采集到的數據發送到主機模塊，最終通過Internet網絡傳輸到PC監控系統，并做相應處理。如果監測到數據超過閾值，節點就會報警，系統結構圖如圖1。

1.2 節點與主機模塊設計

節點主要由STM32F103C8T6單片機、LED、Si7021溫濕度傳感器、蜂鳴器、OLED、電源模塊、無線透傳模塊SX1276組成[3]。節點的功能主要進行數據的采集，出現異常情況并報警，將采集到的數據轉發出去，并在OLED上顯示，報警時LED燈閃爍蜂鳴器響。

2 系統的軟件設計

系統程序主要分為節點獲取取與發送溫度程序以及主模塊接收程序，最終通過網絡傳輸到PC監控系溫度獲取通過getTemHum（）函數實現，溫度發送通過RFSendData（u8 *buf u8 size）函數實現，，主模塊的接收通過RFRevData（u8 *buf）函數實現，還有模塊的一些初始化、驅動函數。每次數據發送完成與接收完成都進入相應低功耗模式，節點采集到溫濕度超過閾值就會啟動報警程序，同時在OLED上顯示溫濕度。發送與接收流程圖如圖6所示。

3 低功耗實現

在無線傳感器網絡中，能量往往是節點的心臟，因此如何在實現數據傳輸的過程中減少能量的消耗需要解決。低功耗實現主要從硬件與軟件兩個方面來實現[4]。

（1）硬件方面：電源模塊選用低功耗穩壓芯片，溫濕度傳感器選用低功耗Si7021芯片

（2）軟件方面：程序運行效率、管腳設置、MCU運行方式以及時鐘配置是影響低功耗的主要因素。在無線傳感器器網絡中，功耗的損失一部分是由于通信中存在干擾導致數據丟失需要重傳數據；另一部分是由于多個節點采集到數據向主機發送的過程中可能會產生碰撞導致能量的損耗。分配固定的時隙，有規則的來傳輸數據可以有效的避免碰撞。.管腳配置主要針對MCU的GPIO配置，把空閑GPIO管腳設置成下拉輸入。MCU低功耗運行方式有睡眠、待機、停機模式，其中停機模式功耗最低，任意外部中斷都可以將其喚醒，進入停機模式只需要調用PWR_EnterSTOPMode（）庫函數即可。時鐘配置，把不用的總線時鐘關閉進一步降低功耗。

4 結論

文中把LoRa技術應用到礦井溫濕度監測系統中，其信號穿透力強，可以實現遠距離傳輸。該技術具有低功耗，電池使用壽命長，功耗低等優點，但是數據速率低。該技術不僅可以應用到煤礦井下，還可以應用到其他領域例如智能家居、農業、工業控制等。通過點到點的數據傳輸表明了數據傳輸距離遠、信號穿透力強、抗干擾強、數據丟包率低。

參考文獻

[1]岳靜. ZigBee溫濕度數據采集系統研究[J]. 煤炭技術，2011，30（1）：176-178.

[2]唐軍勝，陳靜，付敬奇，等. 基于異構網絡的煤礦安全監測系統的設計[J]. 煤炭技術，2016，35（1）：283-285.

[3]付河，羅婉霞. 基于SX1276的新能源LED路燈無線控制器[J]. 照明工程學報，2015，26（5）：42-47.

[4]茍全登，閆連山.基于ZigBee的低功耗井下人員快速定位系統的研究與設計[J].煤炭技術，2013，32（9）：113-114..

作者簡介

鄧從龍（1990-），男，漢，皖馬鞍山市，安徽理工大學，碩士，嵌入式、圖像處理。