基于LoRa的低功耗無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)

羅胡鑄

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

LoRa是目前應(yīng)用最為廣泛的低功耗廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)之一, 在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行, LoRa較NB-IoT，更加的開(kāi)放[1]。LoRa具有良好的抗干擾能力，節(jié)點(diǎn)采用小型電池供電，具有良好的隱蔽性。低功耗設(shè)計(jì)可以使用一節(jié)電池工作數(shù)年，易維護(hù)、成本低。基于LoRa通信模塊方案通常由專(zhuān)用射頻基帶芯片和低功耗MCU組成。由于分布節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、遍布區(qū)域廣，環(huán)境復(fù)雜，有些地方甚至人員難以到達(dá)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)頻繁更新電池的方式來(lái)增補(bǔ)能源比較困難。因此對(duì)傳感器的低功耗設(shè)計(jì)則顯得尤為重要[2]。

1 溫度傳感器總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)艦船環(huán)境下的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體需求：實(shí)時(shí)精確的獲取艦船艙室內(nèi)管道的溫度信息，并實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)測(cè)。溫度傳感器的功能模塊如圖1所示。

測(cè)溫的無(wú)線傳感器硬件由溫度傳感頭、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、處理器模塊、LoRa模塊、天線和電源構(gòu)成。溫度傳感頭負(fù)責(zé)采集艦船管道中的溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換模塊，再經(jīng)過(guò)串行外設(shè)接口(SPI)傳導(dǎo)到處理器模塊。處理器模塊負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)按照無(wú)線通信協(xié)議的要求編碼，通過(guò)基帶芯片sx1276傳送到天線模塊，天線模塊有二組頻段，當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，終端會(huì)切換到另一組天線頻段。

圖1 溫度傳感器的功能模塊

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感頭和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

電阻溫度探測(cè)器(RTD)是工業(yè)應(yīng)用中溫度檢測(cè)的常用傳感器，最常用的RTD是Pt100鉑電阻，與其它的溫度傳感器相比，RTD具備高精度和優(yōu)良的穩(wěn)定性[3]。本電路設(shè)計(jì)中的溫度傳感頭采用四線制的Pt100鉑電阻，在Pt100熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱(chēng)為四線制，四線制可以有效地減小引線誤差。在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中，用4個(gè)端口的端子排來(lái)表示四線制Pt100，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路如圖2所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將溫度傳感頭采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。采用的是AD7124-4，24位的采樣精度。經(jīng)SPI口連接至處理器模塊。AD7124是一款低功耗、低噪聲、完整模擬的前端，非常適合高精度測(cè)量應(yīng)用。圖2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的AD部分是通過(guò)模擬電源(AVDD)端口供電，為使得數(shù)據(jù)輸出速率最大，采用AD7124模塊的全功率模式。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路

2.2 電源模塊

由于模塊驅(qū)動(dòng)電源采用鋰電池供電，因此需要低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)芯片穩(wěn)壓，在本方案中，電源的穩(wěn)壓芯片采用TI公司的TPS7A05芯片，TPS7A05是應(yīng)用最為廣泛的穩(wěn)壓芯片之一。TPS7A05具備非常低的Iq(1uA),消耗的靜態(tài)電流極低，可以在電池供電應(yīng)用中延伸電池壽命。TPS7A05還是一款超小型靜態(tài)電流低壓降壓穩(wěn)壓器，可提供200mA的電流以及出色的瞬態(tài)性能。該LDO(TPS7A05)的電壓輸出范圍為0.8 V～3.3 V，典型的精度為1%,可以滿(mǎn)足其它各個(gè)模塊的供電需求。

系統(tǒng)電源模塊是通過(guò)3.6V電壓源供電，這里采用的是兩節(jié)鋰亞電池來(lái)構(gòu)成3.6V電壓。在選用超低功耗的MCU的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能，在AD模塊上加休眠功能，從3.6V電壓源處引出兩個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器，使得3.6 V電壓降為所需的3.3 V電源，其中一個(gè)給處理器SX1276供電，考慮到處理器芯片本身功耗少，所以使其處于持續(xù)供電狀態(tài)。AD轉(zhuǎn)換模塊相對(duì)而言功耗大，所以該電源模塊由處理器引出一個(gè)端子來(lái)控制其通斷。MCU控制的是TPS7A05的EN端口，當(dāng)MCU的PA8端口輸出一個(gè)高電平，EN端口則輸入一個(gè)高電平，則開(kāi)啟穩(wěn)壓模塊給AD供電，輸出低電平，就關(guān)閉穩(wěn)壓模塊，使得AD模塊不工作。溫度傳感器的電源模塊電路，如圖3所示。

圖3 溫度傳感器的電源模塊電路

2.3 處理器與LoRa模塊

處理器模塊中的MCU采用的是高性?xún)r(jià)比，超低功耗的stm32L052芯片,256k flash，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與LoRa通信功能。LoRa模塊采用Semtech公司升級(jí)版sx1276射頻芯片的無(wú)線模塊，采用擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾和靈敏度都大大優(yōu)化，帶來(lái)更遠(yuǎn)的通信距離[4]，同時(shí)具備無(wú)線喚醒功能，電池使用更長(zhǎng)久，LoRa模塊引出線至天線模塊。低功耗STM32與SX1276通過(guò)SPI通信，兩芯片組成的模塊的目標(biāo)應(yīng)用是傳感網(wǎng)和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，特別是有電池供電需求以及低功耗和遠(yuǎn)距離的場(chǎng)合[5]。處理器與LoRa集成模塊電路如圖4所示。

圖4 處理器與LoRa集成模塊電路

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)需要的試驗(yàn)器材有Micro USB供電線，溫度傳感頭和制好的電路板，電腦一臺(tái)。軟件部分代碼采用C語(yǔ)言，MDK完美兼容Cortex-M和ARM7,它也是C語(yǔ)言的編譯工具。試驗(yàn)在Keil MDK平臺(tái)上進(jìn)行，由于試驗(yàn)條件有限，無(wú)法提供艦船環(huán)境測(cè)試。試驗(yàn)中搭載的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物，如圖5所示。調(diào)試并測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)溫度，啟動(dòng)友善串口調(diào)試助手，顯示環(huán)境中實(shí)時(shí)的溫度，實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)時(shí)溫度如圖6所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物環(huán)境

圖6 實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)時(shí)溫度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線傳感器的關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)做出了介紹，運(yùn)用了當(dāng)代先進(jìn)的超低功耗微處理器STM32L052C8T6與高自主化LoRa通訊相結(jié)合，同時(shí)采用了極低功耗的AD7124芯片和Pt100鉑電阻組成穩(wěn)定的信號(hào)單元，在電源穩(wěn)壓模塊上加上休眠功能，使得AD芯片能自主切換，達(dá)到節(jié)能效果，該方法通過(guò)理論驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明是可行的。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相較于以往有線采集節(jié)點(diǎn)具有時(shí)間續(xù)航長(zhǎng)、方便部署、可擴(kuò)展性強(qiáng)、易于管理維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，為以后進(jìn)一步研究軍用無(wú)線傳感器奠定了基礎(chǔ)。