基于LoRa的無線監測系統設計

何誠剛

基于LoRa的無線監測系統設計

何誠剛

西安交通大學城市學院, 陜西 西安 710018

本文基于ESP8266微處理器、RFM98 LoRa收發模塊以及物聯網云提出了一個完整的物聯網監測系統設計方案，該方案借助數字化、可視化模式，進行數據采集和監測，實驗結果表明該方案可以廣泛的應用于智慧城市監測、無線數據傳輸等領域，具有廣闊的應用前景。

LoRa; 無線監測; 設計

隨著LPWAN（低功耗廣域網）技術的不斷發展，利用物聯網技術進行遠程長時間監測控制、無線數據傳輸成為可能。近年來，以LoRa為代表的低功耗廣域網在交通流量監控、電力系統監測、共享單車等領域得到了快速的應用，LoRa是一種采用1 GHz以下非授權無線電頻段進行低功耗、超長距離通信的數據傳輸技術，其接收機靈敏度高達-148 dbm，而終端接收機發射工作電流為100 mA，接收時工作電流僅為10 mA左右，長時間使用無需充電，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強的特點，適用于每隔幾分鐘發送和接收少量數據的應用情況。一個完全符合LoRa WAN標準的通訊網關可以接入5到10 km內上萬個無線傳感器節點，其效率遠遠高于傳統的點對點輪詢的通訊模式，也能大幅度降低節點通訊功耗。這些特點也使得LoRa非常適合在城市及農村地區組建智慧城市監測系統，利用LoRa等低功耗廣域網技術組建智慧城市監測系統可以對工農業生產過程、環境、交通等各個方面進行遠程

監測，構建從家庭到社區、再到城市的智慧城市監測網絡。

1 系統組成

LoRa采用星型網絡拓撲架構，當實現長距離連接時，終端節點和網關可直接進行通信，有效減少網絡復雜度，電池使用壽命最高可達10年以上，并且能夠將數百萬的無線傳感器節點與LoRa網關連接起來。國內一般使用470 MHz~510 MHz非授權無線電頻段進行組網，LoRa采用擴頻通信技術，系統抗干擾能力強，在進行網絡規劃時可采用Okumura-Hata傳播模型進行鏈路預算，求解覆蓋地區所需要的網關（基站）數量，LoRa使用提高終端和網關的收發信機靈敏度的方法來進行長距離、大范圍、低功耗的覆蓋，單網關情況下，LoRa的覆蓋距離可達15 km（郊區環境），LoRa可以根據無線信道的好壞，選取不同的擴頻因子，自適應多速率的傳送數據，傳輸速率在250 bit/s與300 kbit/s之間可變，基于LoRa的無線監測系統組成如圖1所示。

整個系統符合LoRa網絡的拓撲結構，由可穿戴的LoRa終端節點設備以及網關（LoRa基站）、云服務器和云客戶端組成，終端設備采集溫濕度、氣壓等各種傳感器信息，并將其轉變成符合LoRaWAN協議的幀格式，經射頻調制后發射給網關。網關主要負責將節點的數據傳輸給服務器，也就是完成數據從LoRa方式到網絡方式的轉換，網關并不對數據做處理，只是負責將數據打包封裝，然后再通過互聯網傳輸給物聯網云服務器，物聯網云服務器完成終端設備注冊、用戶管理、數據存儲、數據處理分析等工作，并將處理后的數據發送給客戶機以便客戶端能夠方便地遠程讀取監控信息并進行分析，應用數據可雙向傳輸。

2 可穿戴終端設備設計

基于LoRa的無線監測系統中可穿戴終端設備的設計是整個系統設計的關鍵，可穿戴設備可以將傳感器監測到的各種信息通過LoRa WAN協議發送給LoRa網關，可穿戴設備即可以穿戴在人或移動物體上，構成一個移動的監測節點，也可以固定放在某一地點做定點監測?？纱┐髟O備應當具有安全、可靠、低功耗、便于穿戴等特點，可穿戴終端設備的開發應當符合LoRa WAN協議，并能提供良好的用戶體驗和高可靠性的數據采集和傳輸，圖2是可穿戴終端設備的電路原理圖，它由ESP8266處理器開發板、LoRa收發模塊RFM98以及數字溫濕度傳感器HDC1000、GY-87傳感器模塊和3.3 V紐扣鋰電池構成，這里傳感器的種類還可以根據監控對象增加。

圖 1 系統組成

圖 2 可穿戴終端設備電路原理圖

ESP8266是專為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用而設計的處理器。ESP8266內置Tensilica L106，32-bit微處理理?(MCU)，具有超低功耗的16-bit RSIC。CPU時鐘速度為80 MHz，最?可達160 MHz。支持實時操作系統(RTOS)，為滿足移動設備和可穿戴性電子產品的功率需求，ESP8266在近距離時可以通過軟件編程減少輸出功率來降低整體功耗，以適應不同的應用方案。ESP8266開發板內置3.3 V電源，FLASH程序存儲器、復位鍵、電源開關以及各種接口插座，方便用戶完成設計。ESP8266開發板通過I2C接口采集數字傳感器HDC1000和GY-87傳感器模塊的信號，GY-87傳感器模塊內部包含三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、三軸磁場傳感器和氣壓計，用于監測被監護人或者被監護物體的姿態，防止被監護者或物體跌倒。ESP8266將采集到的傳感器數據通過SPI接口發送給RFM98 LoRa模塊，由后者經無線信道以點對點的方式傳遞給LoRa網關，RFM98是深圳華普公司生產的LoRa無線收發模塊，其最大鏈路預算可達166 dB，接收靈敏度高達-136 dBm，RFM98采用小型高集成模塊化設計，方便植入產品中，RFM98可工作于470 MHz非授權無線電頻段，使用時，需要通過軟件定義RFM98的工作頻率、擴頻因子、帶寬以及報文格式等參數，只要兩個RFM98的工作參數相同，就可以互相通信，RFM98的工作模式（發送還是接收）和工作狀態由ESP8266通過對DIO0和DIO1兩個引腳編程控制，實際測試中，采用發射功率為20 dBm的發射功率，RFM98在城市中單節點的覆蓋半徑可以達到4 km左右，圖3是可穿戴終端設備的控制軟件流程圖。

圖 3 可穿戴終端設備控制軟件流程圖

系統上電后首先進行初始化操作，主要完成處理器GPIO、ADC、SPI、I2C等接口的初始化配置以及系統時鐘、中斷、定時器等ESP8266片內資源的設置，然后再進行傳感器和RFM98模塊的初始參數設置，接著進行傳感器數據的采集和發送，在數據發送完成后，可使處理器和無線收發模塊工作于待機模式，節省電力。

3 網關設計與物聯網云服務器

網關需要與多個可穿戴終端設備互聯，處理的數據量大，此時選擇樹莓派Ⅲ處理器模塊，樹莓派Ⅲ的SPI接口與LoRa模塊連接，通過樹莓派Ⅲ的以太網模塊與物聯網服務器互聯，將終端設備發送過來的數據傳遞給物聯網服務器，在樹莓派Ⅲ處理器模塊上同樣需要編程實現數據的接收和發送。

物聯網云服務器可以自行搭建，初期實驗時也可以利用亞馬遜物聯網云、三星ARTIK物聯網云等商用物聯網云的免費模塊進行實驗，圖4是利用三星ARTIK云采集到終端設備HDC1000傳感器和GY-87傳感器數據的示例，上半部分柱狀圖表示被監測物體的姿態（直立還是跌倒），下半部分表示每間隔一定時間通過溫濕度傳感器采集到的環境溫濕度變化情況。

圖 4 物聯網云服務器數據采集示例

4 結論

基于LoRa的無線監測系統將物聯網技術應用于智慧城市監測、工農業生產過程監測、無線數據傳輸等領域，借助數字化、可視化模式，進行數據采集與監測，借助于物聯網云服務器可以使更多人分享監測成果，特別在低功耗大范圍互聯和利用物聯網云服務器進行大數據分析兩個方面有著鮮明的特色，具有廣闊的應用前景。

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Design for a Wireless Monitoring System Based on LoRa

HE Cheng-gang

710018,

This paper presented a complete design of the Internet of Things monitoring system based on ESP8266 microprocessor, RFM98 LoRa transceiver module as well as the Internet of Things cloud. In this design, data collection and monitoring were accomplished by virtue of digital and visual models. The experimental results indicated that this design could be applied to a wide range of areas such as urban smart monitoring, wireless data transmission and so on, and thus has a good applied prospect.

LoRa; wireless monitoring; design

TN929.52

A

1000-2324(2018)03-0528-03

2017-02-12

2017-03-02

何誠剛(1968-),男,碩士,副教授.主要研究方向為通信工程及電子測量儀器. E-mail:cghe68@126.com