基于LoRa技術(shù)的大體積混凝土測溫物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

錢立志 韓 東 田 磊

（1 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410000；2 北京諾鑫致遠科技有限責任公司，北京 100096）

1 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步發(fā)展，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到不同行業(yè)和領(lǐng)域當中。在大體積混凝土的施工、養(yǎng)護過程中，傳統(tǒng)的測溫方式存在的排線復(fù)雜、人工讀數(shù)易產(chǎn)生誤差以及無法實時監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度變化等問題，針對這些問題提出了一套基于 LoRa技術(shù)的大體積混凝土測溫解決方案。

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa的最大特點就是：傳輸距離遠、工作功耗低、組網(wǎng)節(jié)點多。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

大體積混凝土測溫系統(tǒng)的設(shè)計方案框圖如圖1。

基于LoRa的大體積混凝土測溫系統(tǒng)（圖1）主要由三部分組成：

第一部分是現(xiàn)場溫度采集。主要是由溫度采集設(shè)備混凝土測溫儀NS-WT100來完成，NS-WT100可以通過溫度傳感器采集8個通道的溫度，從而實現(xiàn)測量大體積混凝土的芯內(nèi)溫度、表面溫度以及外界溫度等。并且NSWT100可以進行LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 基于LoRa的大體積混凝土測溫系統(tǒng)設(shè)計方案

第二部分是溫度數(shù)據(jù)的傳輸。測溫設(shè)備NS-WT100通過LoRa無線傳輸跟中繼設(shè)備NS-DTU100進行數(shù)據(jù)交互。中繼設(shè)備在收到測溫設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包通過RS232發(fā)送給PC控制主機，或者通過GRPS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺與其他平臺進行數(shù)據(jù)對接。

第三部分是溫度數(shù)據(jù)的處理。這部分主要是上位機軟件來實現(xiàn)，可以進行溫度數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)庫存儲、表格打印、歷史數(shù)據(jù)的查詢、溫度數(shù)據(jù)曲線。后期整合更多的施工信息，用以實現(xiàn)整個集團現(xiàn)場信息的大數(shù)據(jù)化。

3 LoRa數(shù)據(jù)傳輸

LoRa點對點發(fā)送時，A發(fā)送B數(shù)據(jù)：目標地址+目標信道+數(shù)據(jù)，示意圖如圖2。

圖2 點對點發(fā)送

LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計是多個節(jié)點的星型結(jié)構(gòu)拓撲網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

多個測溫儀對應(yīng)LoRa網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點，中繼設(shè)備是LoRa網(wǎng)絡(luò)中的Gateway。為了使多個節(jié)點能夠協(xié)調(diào)工作，并且在鏈路上互不干擾，我們給每臺測溫儀設(shè)

Gateway，Gateway根據(jù)不同的設(shè)備地址ID進行數(shù)據(jù)回復(fù)。

GateWay可以連接本地電腦實現(xiàn)本地工作，最主要的功能是可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)健霸破脚_”，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時聯(lián)網(wǎng)。通過“大數(shù)據(jù)”研究可以擴展出更多的應(yīng)用及新產(chǎn)品，極大的減少施工現(xiàn)場的技術(shù)性操作，改善施工環(huán)境，提高施工質(zhì)量。

4 硬件設(shè)計方案

混凝土測溫儀NS-WT100的硬件設(shè)計包含，溫度傳感器（8路），Lora單元，核心控制器，存儲單元，LCD顯示模組，鋰電池管理系統(tǒng)：

MCU：STM32L051C8T6是ST公司新出的ARM Cortex?-M0+內(nèi)核的低功耗系列產(chǎn)品，該芯片待機模式下功耗最高不大于290nA。

NS-WT100是鋰電池供電，器件選型都是低功耗設(shè)計。在正常工作時，LCD屏點亮，溫度傳感器工作，LoRa無線傳輸，這個工程約20s，平均耗電約20mA。在LCD屏滅，各個模塊停止工作進入休眠模式后，平均功耗約2uA。

估算每30分鐘工作一次，則每天耗電 ≈

20mA×(20/3600)H×48/天 + 2uA×24H/天 ≈5.4mAH/天

鋰電池容量約1000mAH，損耗系數(shù)估算0.5，計算工作時間≈

1000 mAH*0.5/(5.4mAH/天 ) ≈ 92 天

溫度傳感器：TMP468是TI公司出品的一款使用雙線制SMBus或I2C兼容接口的多區(qū)域高精度低功耗溫度傳感器。除了本地溫度外，還可以同時監(jiān)控多達八個連接遠程二極管的溫度區(qū)域。TMP468 器件可提供高測量精度和測量分辨率 (0.0625℃)。該器件還支持低電壓軌（1.7V至3.6V）和通用雙線制接口，采用高空間利用率的小型封裝（3mm×3mm或1.6mm × 1.6mm），可在計算系統(tǒng)中輕松集成。遠程結(jié)支持–55℃至+150℃的溫度范圍。

LoRa無線傳輸：采用的無線射頻芯片SX1278，采用LoRa遠程調(diào)制解調(diào)器，用于長距離擴頻通信，抗干擾性強，功耗低。頻率范圍：137-525，MHZ，擴頻因子：6-12，帶寬：7.8～500KHZ，預(yù)估靈敏度：-111-148dBm，工作電壓：1.8-3.7V，溫度：-40℃-85℃。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)是信息化的一次革命，是信息化的延伸和擴展，也是信息化的接地氣方式。LoRa技術(shù)應(yīng)用于大體積混凝土測溫系統(tǒng)中，并最終融入物聯(lián)網(wǎng)，保證了測溫系統(tǒng)的實時性、安全性和可靠性，同時也促進了物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用和快速發(fā)展，為打造建筑體系物聯(lián)網(wǎng)及信息化提供了條件。