基于LoRa 的智慧工廠環境監測系統的設計

宋振雷，吳冬燕，張衛星，薛福霞

（1.蘇州工業職業技術學院電子與通信工程系，江蘇蘇州，215104；2.蘇州工業職業技術學院機電工程系，江蘇蘇州，215104；3.國網（北京）綜合能源規劃設計研究院有限公司，北京，102600）

0 引言

自“智慧地球”理念出現后，IBM 利用其技術優勢推動該理念的落實，因此不斷涌現出“智慧工廠”、“智慧交通”、“智能家居”等理念。在德國“工業4.0”、美國通用電氣“工業互聯網”概念等計劃的推動下，智慧工廠便顛覆以人力、非智能機械為主的傳統工業體系。因此產生工廠高度自動化的生產。本文主要研究了智慧工廠中對于環境的監測。選取了STM32 系列單片機作為節點的主控MCU，STM32L053R8T6 可以輕松的于各類傳感器、電子元件、拓展模塊進行結合，同時擁有出色的低功耗特點，通過研究調查，本文選取了LoRa 作為無線通信方式，LoRa 使用的星狀拓撲，可以達到靈活組網的目的，同時可以極大的降低功耗，通過網關與物聯網平臺的連接與配置，從而可以在平臺上檢測到環境數據的變化。

1 總體設計方案

基于LoRa 的智慧工廠環境監測系統由STM32L053R8T6 作為節點核心控制板，環境監測、數據處理、調用LoRa 傳輸都由它來集成控制。將監測環境的傳感器數據反饋到核心控制板上，再由控制板將數據進行處理轉化為可以通過LoRa 發送到網關的數據流，數據流經由網關發送到物聯網平臺，通過配置與處理，在物聯網平臺上便可以觀測到相應的數據。具體流程如圖1 所示。

圖1 總體設計流程圖

2 硬件電路設計

本文選用的STM32L053R8T6 型號單片機，作為底層節點，連接傳感器、按鍵、LED、LoRa 模塊，引腳充足。同時該芯片是具有突破性性能、真正超低功率型的微控制器。以測量溫濕度及光照度的節點為例，硬件電路設計主要包括電源模塊連接電路、LED 顯示電路、按鍵控制電路、溫濕度傳感器連接、光照度傳感器、LoRaWAN 通信模塊。下面對上述的電路進行說明。

（1）電源模塊連接電路

電源方面我們使用了TPS63020 芯片，該芯片輸入電壓范圍大，可以調節輸出電壓，同時可以選擇省電模式，符合該系統的低功耗要求。該芯片帶有過熱和過壓保護，關斷期間負載為斷開狀態。為了給芯片及連接的模塊穩定的供電，可以使用三節干電池供電，并通過對外部的電阻分頻器編程，使輸出電壓穩定在3.3V。

（2）LED 顯示電路

LED 顯示電路由4 個LED 組成，可以直觀的顯示節點所處的狀態。這組LED 采用了共陽極的接法，另一端連接在芯片的PC0-3 四個O 口，并在LED 與電源之間加裝了100Ω 的電阻，防止電流過大導致擊穿。當需要使LED 發光時，僅需要給對應的O 口低電平即可。

（3）按鍵控制模塊

按鍵控制模塊是為了可以方便的調節節點，在按鍵與電源之間加裝了10k 電阻，防止按鍵按下時，電源與地短接發生短路。在電阻與按鍵之間，我們引出了一個引腳，接在芯片的PC7 和PC8 上，當按鍵按下，芯片接收到低電平，反之接收到高電平，由此可以判斷按鍵是否按下。

（4）溫濕度傳感器

考慮到工廠內的惡劣環境及該設計對低功耗的要求，我們使用了HDC1000 溫濕度傳感器。該芯片濕度工作范圍在0%至100%，誤差僅在±3%，溫度工作范圍在-40℃至+125 攝氏度，精度在±0.2℃。休眠狀態下電流僅為200nA。可以超低功耗提供出色的測量精度。其封裝的特殊性使其免受灰塵粉塵及其他污染物的影響，極其適合在工廠的惡劣環境下運行。該芯片的SCL 腳與SDA 腳接入到芯片的PB6 和PB7 腳，DRDYn 腳接入到芯片的PC9。

（5）光照度傳感器

經過對工廠的考察，一些工廠內有多種原材料不可強光直射，所以該節點加裝了光照度傳感器，該傳感器使用的OPT3001 環境光傳感器，運用了緊密的光學濾波，可阻隔百分之九十九的紅外線，測量范圍較廣，同時可以低電流低電壓運行，適應較為惡劣的工業生產環境中使用，中斷系統也極為靈活。該芯片使用I2C 總線，SCL 和SDA 端與溫濕度傳感器相同，接入到PB6 和PB7 腳。中斷引腳INT 接入到PC13。

（6）LoRaWAN 通信模塊

LoRaWAN 通信模塊使用的是LSD4RF-2F717M91 透傳模塊，通過串口與用戶端通訊，采用LoRa 調制技術達到無線收發數據的方式，具有可靠性高、抗干擾性高、性能高的特點。該模塊工作電壓在3.0-3.6V，工作溫度-40-85 ℃，在休眠模式下工作電流小于10μA。該節點在空曠環境下，通訊距離在5km，由于使用的貼片模塊，我們需要在射頻出口到天線反饋點按照50Ω 阻抗匹配原則布線。

3 軟件程序設計

本設計的所有程序是在IAR for ARM 進行編寫。該程序內包含串口調試程序設計、傳感器驅動的調用、整體程序的邏輯設計。

（1）串口調試程序設計

為了方便安裝入網，我們編寫了串口調試部分的程序，當設備第一次上電時，設備與網關并未進行配對，通過串口，我們可以輸入網關的設備號、節點自身的設備號以及物聯網平臺的APIKEY，這樣節點才能與網關正常通信，物聯網網關才能接受到節點的信號。設備的自檢也是必不可缺少的部分，當自檢開啟，節點會將實時的傳感器數據、設備號、所連網關的設備號、物聯網平臺的APIKEY 在串口打印下來，以便我們檢查。為了實現低功耗的功能，在串口調試中，可以調節至低功耗定時發送模式，在程序中，在定時發送模式的基礎上增加了系統低功耗處理，發送過程中和等待發送的過程中都會進行相應的休眠?？梢赃_到極低的功耗。

（2）傳感器庫的調用

傳感器采集的數據為模擬量，一些傳感器內部會將模擬量轉化為數字量，但主控芯片不可以直接將這些數據的轉化為我們所熟知的十進制數據。所以必須引入驅動文件，我們會對驅動文件進行一些相應端口的修改，使其符合我們的接線規則，同時驅動文件會對采集的數據進行處理，在程序輸出時便可以得到易于明白的數據。

（3）整體程序的邏輯設計

整體邏輯保證系統的正常運行，在該程序邏輯中，首先經過用戶的調試后能否通過自檢，自檢不通過，則需要再次調試，若通過，便開始運行。運行期間大部分時間是處于休眠狀態，當喚醒時間到，則進行環境數據采集及自身電池電壓采集，將數據上報，若有異常，則增加報警數據，并將數據上報，上報結束后，繼續進行休眠。具體流程圖如圖2 所示。

圖2 整體程序邏輯設計流程圖

4 物聯網平臺設計

物聯網平臺是將所有節點數據匯總的平臺，在這里，用戶可以直觀的監測到所有節點的數據。同時擁有一些便捷的功能，下面將一一介紹。

（1）設備基本信息系統

在該平臺上用戶可以看到所有設備的上線數據，未上線的設備可以直觀的看到，通過工單系統可以為負責該區域節點的工作人員下發維修工單。同時，每類設備對應一個圖標，設備的異常狀況會在圖標上進行醒目的提示。點擊圖標會進入該類設備的詳細信息處。

（2）工單系統

平臺中，可以將工廠設備與員工綁定，從而方便工單系統的使用，當節點出現數據異常、上線異常時，可以向員工發放任務工單，去指定地點進行檢查維修，保證了高效率與生產環境的高安全性。

（3）數據統計系統

圖3 硬件電路

在平臺中，用戶可以選擇任意一個設備，使用柱狀圖或折線圖來直觀的監測一段時間內的數據變化，同時可以以圖或表的方式下載至PC 中打印，方便工廠內的數據匯報。

5 結論

本系統主要涉及是通過STM32 核心板進行控制，通過LoRa 進行無線通信。主要涉及到了各個模塊之間及節點與網關平臺之間的數據通信，同時也包括了設備休眠算法設計，主要是為了適應工廠內長時間的運行，減少節點的電源更換。運用了物聯網平臺系統使得環境數據的監測更加方便快捷，避免了人工監測速度慢、易出現誤差的缺點，從而實現工廠內環境的高效率，低誤差的監測，為工廠內的生產加工提供了環境保障。