基于物聯網的溫濕度監測器設計

馬書軼　陳恒　王兆壯　徐穎

摘 要：在倉庫的正常使用過程中，溫濕度是一個必不可少的條件。隨著物聯網技術的發展，作為IoT的重要組成部分，智能倉儲管理也會因為物聯網基礎設施的不斷完善而越來越高效。文章設計了一種基于物聯網倉儲管理系統的溫濕度監測節點，通過LoRa無線通信技術傳輸數據，以實現對溫濕度的實時監測。

關鍵詞：物聯網;溫濕度監測;傳感器節點;LoRa網關

0 ? 引言

隨著物聯網蓬勃發展，倉儲管理方式轉變，物流更加方便快捷。倉庫內的環境直接影響貨物能存放的時間和質量[1]，溫度和濕度是影響貨物質量的直接因素，為了能長時間地存儲貨物，需要使用監測器對倉庫環境進行實時監測。

1? 總體方案

本文提出一種監測節點的設計方式;以mcu為核心，將需要實現的功能模塊化。考慮到倉庫中需要使用的檢測器數量眾多，環境復雜，給每個監測節點接線供電不現實，因此使用鋰電池供電方式。基于物聯網的監測節點硬件主要由stm32f103c8t6、HTU21d、M120-l、tps62082dsg組成[2]。總體功能實現框架如圖1所示。

1.1? 主控模塊設計

監測節點所使用到的資源比較少，只需用1個USART接口、1個定時器資源以及1個SPI 接口，不需要使用高容量存儲器滿足大量程序編寫。因此，STM32F103C8T6芯片可以滿足本系統的設計要求。本文采用最小系統實現基本的控制功能，包括主控芯片、晶振電路、復位電路以及濾波電路。

1.2? 傳感器模塊設計

由于倉庫環境的復雜與多樣，需要選用測量范圍大，且對工作條件不敏感的溫濕度傳感器[3]，同時需要大批量監測點，考慮到成本，擬選用數字溫濕度傳感器HTU21D。該產品精度高，測量范圍大（-40 ℃～125 ℃，±0.3 ℃;0～100%RH，±2%RH）。工作時，通過i2c與主控芯片相連，處在待用狀態時使用上拉電阻將兩線都鉗位在高電平。典型電路如圖2所示。

1.3? 電源模塊設計

考慮到實際情況下，庫房內環境復雜，不能滿足接線的需求。本文未采用充電插座220 V 供電/USB 5 V 供電的方式，而是采用了3.7 V 鋰電池供電的方式。本文以鋰電池作為電源，由于鋰電池長期工作電壓會低于3.3 V，而LDO的機理只能實現降壓變換，因此選用DC-DC 芯片TPS62082DSG作為電壓轉換電路的核心，1.2 A的最大輸出電流能夠滿足對一系列外圍電路的供電需求。

本文選用了一節型號為103048 的1 500 mAh 鋰電池，并對監測節點的功耗進行了預估，綜合各個元器件的功耗。隨后對其進行了壽命預估，通過計算得到全工作模式下能運行約15 h，休眠待機模式能持續運行約4年的結果，并按2年壽命對其工作周期進行分配，得到工作時間與休眠時間之比約為1∶2 500。電源電路如圖3所示。

1.4? LoRa模塊設計

無線通信模塊采用慧聯無限科技公司的一款LoRa模塊，M120（L）。M120是慧聯無限科技有限公司研制的一款LoRa通信模塊。模塊集成了LoRaWAN協議棧，并且符合LoRa聯盟發布的LoRaWAN標準（V1.0.2，Class A/C），能夠支持不同廠商設備間實現互聯互通。在LoRa網絡下，M120（L）支持0.018～37.5 kbps的傳輸速度，低功耗，高靈敏度，抗干擾能力強，覆蓋范圍廣。為縮短開發周期，盡快完成監測節點系統的功能，本文避免了對M120裸片的研發，直接采用了M120（L）成品模塊進行設計，單片機可直接通過串口使用AT 指令對其進行控制。通信模塊電路如圖4所示。

2? 數據傳輸設計

Class A類的LoRa終端功耗最低，能夠滿足設計節點工作兩三年的要求。終端上行傳輸后的很短時間內進行服務器的下行傳輸。其他任何時間服務器進行下行傳輸都得等終端的下一次上行。

基于硬件使用LoRa模塊，因此需要使用網關對監測節點進行組網才能連接上運營商，本次選用F8916-L網關，傳輸層使用tcp，因為監測節點無須不間斷工作，只需要每隔一段時間發送一次數據，因此應用層選用mqtt，mqtt是一種輕量級的傳輸協議，簡單易用。服務器使用emqx，系統啟動后，程序按照指定時間采集數據存入數據庫，定量分析倉庫溫濕度變化。

考慮到倉庫生產需求，為了降低損耗，簡化結構，采用星型網絡結構。LoRa網關和終端節點使用星型結構。LoRa網絡只存在兩個方向的通信鏈路。在網絡中，網關作為匯聚節點，接收所有網絡流量。

系統的接入容量，即一定時間內網關能夠接收多少數據包的能力。從理論上來說，單個網關有8個接收信道，在符合LoRaWAN協議的條件下每天最多能接收1 500個數據包。若某個傳感器的發包頻率為每小時一份數據包，那么在網絡負載率為10%的狀態下，單個網關能夠接入的傳感器數目可達80 000個。當然，這僅僅是理論計算值，網關可接入的終端數量最終還是與終端所配置的發包頻率、數據包的大小、通信速率以及現場的無線網絡環境等因素相關。

3? 結語

本監測器系統以單片機為核心控制，通過模塊化設計最終完成各項需求。經過測試，本方案能有效地掌握倉庫溫濕度變化狀態，可以長時間穩定工作。雖然該系統還存在一些不足，所設計的監測節點系統仍需在人機交互、電量檢測、設備安全防護等方面進行改進。但主要功能符合要求。物聯網是當今的發展熱點之一，對環境變化的監測是發展的必然成果。

[參考文獻]

[1]靳堯凱，戴貽康，焦運良.基于ZigBee的溫濕度監測系統設計[J].網絡安全技術與應用，2020（7）：60-62.

[2]邵婷婷，韋強，肖晟涵.一種基于云平臺的溫濕度監測系統設計[J].電子設計工程，2020（6）：92-96.

[3]徐仲，孫先松.基于NB-IoT的環境溫濕度監測系統設計[J].物聯網技術，2020（2）：20-22.

（編輯 王永超）

Design of temperature and humidity monitor based on Internet of things

Ma Shuyi， Chen Heng， Wang Zhaozhuang， Xu Ying

（Xijing University， Xi’an 710123， China）

Abstract：During the normal use of the warehouse， temperature and humidity are an indispensable condition. With the development of the Internet of things technology， as an important part of the IoT， intelligent warehouse management will also become more and more efficient due to the continuous improvement of the Internet of things infrastructure. This paper designs a temperature and humidity monitoring node based on the Internet of things warehouse management system， which transmits data through LoRa wireless communication technology to achieve real-time monitoring of temperature and humidity.

Key words：Internet of things; temperature and humidity monitoring; sensor node; LoRa gateway