基于LoRa的遠程低功耗水壓采集系統的設計

江鶯 俞旭 俞銘津 韋杰

摘? 要： 針對基于ZigBee等無線通信技術的水壓采集系統存在數據傳輸距離近、抗干擾能力弱、功耗高、環境適應性較差等缺點，文中設計一種基于LoRa的遠程低功耗水壓采集系統。通過水壓變送器信號放大電路設計、變送器標定與調零確保水壓采集的準確性;通過無線水壓變送器低功耗設計確保電池供電的持久性;通過基于LoRa的通信電路設計確保遠程數據傳輸的可靠性。測試安放在建筑物6樓的計算機接收無線水壓變送器發來的數據，結果表明，無線水壓變送器安裝在通信環境良好的戶外，只有不到1%的丟幀率;即使在通信環境比較惡劣的地下室，其丟幀率也不超過1.5%。

關鍵詞： 水壓采集; 低功耗; 遠程通信; 系統設計; 變送器設計; 實物測試

中圖分類號： TN98?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）08?0105?04

Design on LoRa?based water pressure acquisition system with remote and

low power consumption

JIANG Ying， YU Xu， YU Mingjin， WEI Jie

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：As the problem of the water pressure acquisition system based on ZigBee and other wireless communication technologies， such as short data transmission distance， weak anti?interference ability， high power consumption and poor environmental adaptability， a LoRa?based water pressure acquisition system with remote and low power consumption is designed. The accuracy of water pressure acquisition is ensured by the design of signal amplification circuit， calibration and zero adjustment of the water pressure transmitter. The durability of battery power supply is ensured by the low power consumption design of wireless water pressure transmitter. The reliability of remote data transmission is ensured by the communication circuit design based on LoRa. The computer installed on the 6th floor of the building receives the data from the wireless water pressure transmitter， and the results show that the frame loss rate is less than 1% when the wireless water pressure transmitter is installed outdoor in a good communication environment. Even in the basement， where the communication environment is harsh， the frame loss rate is less than 1.5%.

Keywords： water pressure acquisition; low power consumption; remote communications; system design; transmitter design; physical test

0? 引? 言

隨著城市化發展，消防火災問題日益突出。很多消防設施老舊，尤其是消防供水系統，常常處于故障狀態，一旦發生火災，將無法及時提供充足的消防用水，必將造成巨大的人員傷亡和財產損失。采用人工抄表來采集管網水壓的方式已不能滿足當今社會的需求。許多新型電子信息技術已經大量運用到消防等遠程抄表領域，推動了許多領域的發展，如ZigBee無線傳輸技術已經在很多行業廣泛應用，但是ZigBee在數據傳輸過程中容易受到地理環境和建筑物的影響，只適合近距離的數據傳輸;而且ZigBee本身功耗較大，難以應用于對功耗要求較高的場所[1]。由于現場布線不方便，設計一種電池供電的低功耗無線水壓采集系統就顯得十分必要。LoRa技術是一種擴頻通信技術，該技術本身具有傳輸距離遠、功耗低、穩定性高、抗干擾性強等特點[2?4]。基于此，本文擬將SX1278射頻芯片的LoRa遠程抄表技術運用到水壓采集系統中，不僅可以減小地理環境和建筑物對無線通信造成的通信盲區，大大提高系統使用范圍和穩定性，而且可以降低無線變送器的功耗。

1? 系統的整體設計方案

基于LoRa的遠程低功耗水壓采集系統由無線水壓變送器、中繼器、集中器三部分構成[5]，整個系統設計框圖如圖1所示。為了克服布線帶來的不便，無線水壓變送器采用電池供電，負責采集水壓數據并通過SX1278射頻芯片無線發送給中繼器。中繼器的主要功能是將無線變送器發來的數據轉發給集中控制器，一個中繼器理論上可以接收無限多個無線水壓變送器發來的數據。但是為了避免多個無線變送器同時發送數據造成信道阻塞，在自定義通信協議中規定，一個中繼器最多只能接收255個變送器發來的數據。集中器通過SX1278射頻芯片接收中繼器傳來的水壓數據并通過4G模塊、以太網上傳給服務器或者通過RS 232直接上傳計算機。為了減小變送器、中繼器、集中器三者之間通信同頻干擾。無線水壓變送器與中繼器之間采用433 MHz頻率進行通信，中繼器與集中器之間采用470 MHz頻率進行通信。

每個變送器只可以發送給指定的一個中繼器，但是每個中繼器可以接收多個變送器的數據，同理每個集中器也可以接收多個中繼器傳遞過來的數據。變送器，中繼器、集中器三者之間采用單向網絡傳輸模式。變送器每隔一段時間采集并發送一次水壓數據給指定的中繼器，其他時間變送器處于休眠狀態，以降低功耗。集中器接收到數據后，每隔固定的時間將所有數據發送給服務器或者計算機。集中器在一定的時間內沒有收到某個變送器的數據，則判定此變送器發送故障。采用這樣的設計可以大大降低無線變送器的功耗和整個網絡通信設備之間的數據量。本文重點闡述無線水壓變送器的設計。

2? 無線水壓變送器的設計

無線水壓變送器通過傳感器獲取模擬信號，信號經運算放大器放大后，再經過模/數轉換成數字量，最終通過SX1278射頻芯片發送出去。其設計量程為0～1.8 MPa。根據不同批次傳感器的不同線性特征，需要對其進行標定與調零。整個無線變送器采用電池供電，為了保證變送器能長久工作，需要對其進行低功耗設計。

2.1? 無線水壓變送器信號放大電路設計

陶瓷壓阻壓力傳感器的內部是一個由4個厚膜電阻連接成的惠斯通電橋。當外部壓力作用于膜片時，電阻值發生改變，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性電壓信號[6?7]。信號經過運算放大器放大后輸入STM8型MCU的ADC引腳。圖2為AD623運算放大器電路圖。S-，S+為模擬輸入端，芯片第6引腳OUTPUT為運算放大器的輸出端[8?9]。

2.2? 通信電路設計

SX1278射頻芯片是LoRa射頻部分的核心，也是整個水壓采集系統通信的核心，工作頻段為137～525 MHz。SX1278射頻芯片除了支持LoRaTM的調制方式，還支持FSK，GSK，MSK等多種調制方式。當它工作在LoRa調制模式時，具有-148 dBm的高靈敏度[10]。

2.2.1? SX1278射頻芯片基本外圍電路設計

SX1278射頻芯片基本外圍電路設計如圖3所示。SX1278的第3，14和24引腳，分別是模擬電路、數字電路和射頻電路的電源。三者電壓范圍同為1.8～3.7 V，可用同一個電源VCC3供電。電容C2，C7，C8，C9為濾波電容，用于減少電源紋波以保證電源的穩定性。SX1278射頻芯片通過SPI接口以及DI0～DI5引腳與MCU進行通信，MCU可以控制NRESET引腳復位SX1278芯片。

2.2.2? SX1278射頻芯片外圍射頻電路設計

SX1278射頻芯片外圍射頻電路如圖4所示。SX1278射頻芯需要通過外圍射頻電路發射、接收電磁波來傳輸信號，其由兩個發射引腳PA_BOOST，RFO_LF和一個接收引腳RFI_LF組成。PA_BOOST引腳發射功率最高為20 dBm，發射電流為120 mA左右;RFO_LF引腳功率最高為14 dBm，發射電流最低為29 mA。為了保證最長的通信距離和穩定的通信品質，本設計選用高功率發射引腳PA_BOOST作為發射端。使用PE4259射頻開關芯片來控制收發，將收發支路分開。在PA_BOOST發射端用電感電容組成匹配電路外加一個濾波器，然后進入射頻開關。接收端也是用電感電容組成匹配電路。射頻開關后端有一個由L4，C15，C16組成的Π型濾波器，不僅有利于去除發射的諧波，并且能濾除接收時的干擾信號[11?12]。

2.3? 無線水壓變送器低功耗設計

無線水壓變送器每隔一段時間采集并發送一次水壓數據，其他時間MCU處于休眠的低功耗模式，MCU進入休眠模式前關斷運算放大電路電源VCC2和通信電路電源VCC3，以確保真正的低功耗。

規定的休眠時間到，喚醒MCU，MCU進入工作狀態，同時打開相應的電源使系統正常工作，其電源控制電路如圖5所示。無線變送器采用4個三極管，組成2組開關電路，分別控制運算放大電路電源VCC2和通信電路電源VCC3的通斷。當無線水壓變送器需要發送數據時，MCU使POUT1為高電平，NPN型三極管Q3導通，此時PNP型三極管Q1的基極被拉低，Q1導通，運放電路電源VCC2被接通，圖2所示的運算放大器處于工作狀態，用來放大傳感器采集的電信號。反之，MCU使POUT1為低電平時，Q3，Q1被關斷，以實現運算放大器電路不工作時關閉其電源VCC2，確保電路低功耗。同理，POUT2為高電平時，通信電路供電電源VCC3接通，通信電路處于數據收發的工作狀態。POUT2為低電平時，關閉通信電路供電電源VCC3，確保電路低功耗。

2.4? 無線水壓變送器標定與調零

模擬信號經MCU的ADC數模轉換后的數值保存在MCU的內部A/D寄存器中。為了確定寄存器中A/D值對應的具體水壓值，需要進行調零和標定。標定時，將無線變送器與標準水壓傳感器接在同一根通管上，在0～1.8 MPa內，選取多個水壓測量點，記錄標準水壓傳感器水壓值P與MCU對應的A/D寄存器中的十進制數值y，采用Origin得到擬合曲線如圖6所示，一次擬合函數如下：

式中，p為傳感器水壓值。該函線性數擬合度為0.999 98，高線性擬合度表示MCU對應的A/D寄存器與水壓呈良好的線性關系。

由于傳感器制造誤差等各種原因，當沒有水時，其A/D值并不為零，所以需要對傳感器進行調零。本設計中調零采用軟件調零的方式，在水壓為零的情況下，按下變送器上的按鈕，進入調零模式，變送器記錄下此時的A/D值作為零點值。

2.5? 無線變送器軟件設計

無線變送器主程序流程圖如圖7所示。在主程序中，首先實現串口、SX1278射頻芯片等初始化配置，然后判斷MCU內部存儲單元E2PROM中是否保存過變送器地址、零點A/D值基本信息，如果沒有則繼續等待，有則讀取基本信息。此時進入主程序循環，在主循環中進入休眠，等待規定的休眠時間到，喚醒休眠，喚醒后打開運算放大器和通信電路供電，采集水壓數據并發送出去，然后關閉運算和通信電路供電并再次進入休眠，以確保低功耗。

無線變送器MCU采集水壓數據，利用SX1278射頻芯片將水壓數據按自定義的報文格式發送出去，報文格式如表1所示，一條報文由6個字節構成，除起始字節和結束字節，還包括此變送器的地址、中繼器的地址、水壓數據和數據校驗。

3? 測試結果

測試階段，選用4個變送器，2個中繼器，1個集中器和1臺計算機進行測試。將4個變送器分別設置地址編號為1，2，3，4。將2個中繼器編號為1號中繼器和2號中繼器。1號和2號變送器安裝在地下室監測點，無線通信環境較為惡劣。1號中繼器安裝在地下室入口處，負責轉發1號和2號變送器的數據給集中器。3號和4號變送器安裝在通信環境良好的戶外監測點，距離集中器直線距離約400 m。2號中繼器安裝在3號、4號變送器和集中器等距離處，負責轉發3號和4號變送器的數據給集中器。集中器負責接收1號和2號中繼器轉發的數據，集中器與計算機均安放在建筑物6樓，集中器通過RS 232直接上傳數據給計算機，無線水壓變送器的數據最終上傳給計算機。為了方便實驗，變送器每隔1 min發送一幀數據，統計每個變送器10 h成功上傳給計算機的數據幀數，并計算最終的丟幀率，結果見表2。

從表2中可以看出，本設計基于LoRa的數據傳輸具有較低的丟幀率，在通信環境良好場所，只有不到1%的丟幀率，即使在通信環境比較惡劣的地下室也能保證丟幀率不超過1.5%，能充分滿足無線遠程水壓采集系統對無線通信品質的要求。

4? 結? 論

本文通過水壓變送器信號放大電路設計、變送器標定與調零確保水壓采集的準確性;通過無線水壓變送器低功耗設計確保電池供電的持久性;通過基于LoRa的通信電路設計確保遠程數據傳輸的可靠性。接收數據的集中器與計算機均安放在建筑物6樓，集中器通過RS 232直接上傳數據給計算機，無線水壓變送器的數據最終上傳給計算機。測試結果如下：無線水壓變送器安裝在通信環境良好的戶外，距離集中器直線距離約400 m處，計算機接收的數據只有不到1%的丟幀率。無線水壓變送器安裝在通信環境比較惡劣的地下室，計算機接收的數據丟幀率不超過1.5%。

參考文獻

[1] HUO P J， YANG F， LUO H B， et al. Distributed monitoring system for precision management of household biogas appliances [J]. Computers and electronics in agriculture， 2019， 157： 359?370.

[2] AREF M， SIKORA A. Free space range measurements with Semtech Lora? technology [C]// 2014 2nd International Symposium on Wireless Systems within the Conferences on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems： Technology and Applications. Offenburg： IEEE， 2014： 13?17.

[3] CASALS LLU?S， BERNAT M， RAFAEL V， et al. Modeling the energy performance of LoRaWAN [J]. Sensors， 2017， 17（10）： 2364?2367.

[4] LI Y Z， YAN X Q， ZENG L Y， et al. Research on water meter reading system based on LoRa communication [C]// 2017 IEEE International Conference on Smart Grid and Smart Cities. Singapore： IEEE， 2017： 248?251.

[5] WAM Y F， LIU Q， CAO L H. Design and implementation of wireless gas meter reading system based on spread spectrum communication [J]. Computer measurement & control， 2017（16）： 5.

[6] 鄔林，陳叢，錢江蓉，等.基于壓阻效應的陶瓷壓力傳感器[J].儀表技術與傳感器，2017（6）：26?28.

[7] ZARNIK M S， NOVAK F. Effect of condensing environments on characteristics of piezoresistive ceramic pressure sensors [J]. Sensors and actuators A： physical， 2017（17）： 385?392.

[8] 余秋軍，李丹，杜娟，等.基 于AD623信號處理的壓力變送器設計[J].儀表技術與傳感器，2018（4）：24?27.

[9] 甄國涌，儲俊.一種小信號放大測量電路的設計[J].電測與儀表，2015，52（4）：96?100.

[10] 王瑞，李躍忠.基于SX1278的水表端無線抄表控制器[J].電子質量，2015（12）：67?68.

[11] 陳嚴君，張帥，王永利.基于SX1278的無線多路遙控收發機設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2018（11）：125?127.

[12] 肖思琪，全惠敏，鐘曉先.基于LoRa的遠程抄表系統的設計與實現[J].電子技術應用，2018，44（6）：31?34.