基于LoRa的環境質量監測系統

紀華志 袁江南 蘭冠杰

廈門理工學院光電與通信工程學院 福建廈門 361000

隨著LoRa網絡系統的成功全面部署與使用，德國為其問題找到了可行的解決辦法，也極大地推動了該國物聯網行業的發展，基于LoRa技術的物聯網的發展，進而帶動了世界LoRa技術的蓬勃發展。近年來，中國在LoRa網絡建設上也取得了階段性的進步，已經成立了國內LoRa應用聯盟，我國將進一步拓展LoRa平臺的業務發展，這將表明LoRa網絡技術在我國具有更加廣泛的應用前景。

1 系統設計方案與論證

系統總體方案如圖1所示，圖中共有兩個數據采集節點可通過LoRa技術同時向數據接收端發送數據，各類傳感器通過I2C、UART等通信方式與節點傳輸環境數據。數據接收端接收數據包并解析其環境信息，通過UDP協議連接同一Wi-Fi環境下的PC端上位機并發送數據包，再通過MQTT協議將數據包上傳至云端。系統硬件設計硬件框圖如圖2所示。

圖1 系統總體方案框圖

圖2 硬件框圖

1.1 控制模塊設計

核心控制器是ESP32-D0WD，該處理器采用兩個哈佛結構的Xtensa LX6 CPU組成雙核處理器。還集成了雙極化天線、射頻Balun、高功率放大電路、低噪音放大器、濾波器和電源管理模塊。電路原理圖如圖3所示，包括單片機最小系統、復位電路、USB接口。

(a)核心控制器原理圖

(b)

(c)圖3 核心器件原理圖

1.2 LoRa模塊設計

ATK-LoRa-01模組是由ALIENTEK出品的一種尺寸小、微電源、低耗電量、效率高的遠距離LoRa無線串行接口模組。模塊主要優點是，使用了最新型的ISM頻段射頻SX1278擴頻組件，系統的實際工作頻率范圍為410～441Mhz，以每Mhz頻段為步進信道，共三十二個通道。可以使用AT指令實時調節串口頻率，調整發射功率，高空中速度，操作模式等多個技術參數，同時支持固件更新功能。電路原理圖如圖4所示。

圖4 LoRa模塊原理圖

1.3 傳感器模塊電路設計

溫濕度傳感器：DHT11數字溫濕度傳感器如圖5是一款帶有已校準數字信息輸入輸出功能的溫濕度檢測綜合感應器。光強度傳感器：BH1750FVI，是一個使用兩線型串行總線連接器的數字型光力度感應器集成電路，如圖6。

圖5 DHT11模塊原理圖

空氣質量檢測傳感器：SGP30是一款在單一晶片上帶有幾個感應器部件的新型金屬氧化室內廢氣感應器，如圖7。

圖7 SGP30模塊原理圖

2 系統軟件設計

2.1 數據采集發送端軟件設計

數據采集發送端在系統中有兩個，分別命名為節點A與節點B,它們的程序運行流程圖如圖8所示。首先對所使用到的外設進行初始化，包括USART、I2C以及各類傳感器，隨后讀取溫濕度傳感器數據、光照強度傳感器值，讀取空氣質量傳感器數據并帶入相關算法中計算出氣體濃度。數據讀取完成后打包成字符數組，并設立協議標明節點號、起始位及終止位，隨后發送數據包。

2.2 數據接收端軟件設計

數據接收端的主要設計任務為：LoRa模塊監聽節點數據，實時接收節點數據包，轉發數據至PC端和云端。其程序運行流程圖如數據采集發送端流程圖圖9所示。首先對USART、Wi-Fi進行初始化，配置數據心跳包，隨后監聽串口LoRa模塊數據。當串口接收到數據時，接收完整數據包后判斷其節點號，根據其數據更新并上傳心跳包并通過UDP協議傳輸數據包至上位機解包分析。

圖8 數據采集發送端流程圖

圖9 數據接收端流程圖

2.3 上位機軟件設計

上位機GUI設計如圖10所示。

圖10 上位機GUI設計

Matlab上位機可以通過無線Wi-Fi將數據接收端接入網絡，在同一局域網內，上位機可通過UDP協議實時獲取環境質量數據。UDP是在OSI參考模式中一個無連接的傳輸層協定，它在主要應用于不需要按分類次序到達的消息傳送中，以分組傳送次序的檢查和排序為應用級實現，提出了面向事務的單純而不可靠性消息傳送業務。UDP協定，基本都是指IP協定中與上層協議的連接，DP報文沒有可靠性保護、秩序保證和流量限制字段等，因此安全性不好。不過也由于UDP協定的限制選項較小，在數據傳輸流程中延時小、數據傳輸工作效率較高。

3 系統測試

溫濕度變化情況如圖11所示，其中濕度尖峰為向節點傳感器呼氣產生，而溫度變化不大，符合實際情況。

圖11 溫度變化情況折線圖

空氣質量變化情況如圖12～圖14所示，正常情況下有害氣體含量以及二氧化碳含量穩定保持在正常標準，其中尖峰為向節點傳感器呼氣產生，由折線圖可看出其變化情況顯著，能夠達到空氣質量檢測目的。

圖12 濕度變化情況折線圖

圖13 有害氣體含量變化折線圖

圖14 二氧化碳含量變化折線圖

結語

本文結合LoRa技術，研究并設計了一種基ATK-LoRa模塊的實時環境質量檢測系統，系統由數據采集節點、數據接收端、上位機三個部分組成，針對環境質量中的多個物理量進行多點實時監測。本設計的環境監測系統，其體積較小，只有125mm×84mm×30mm，占用空間極小，便于安放，設備成本低，整套雙節點設備成本為兩百元以內。采用了基于LoRa技術的傳輸方式，將長距離數據傳輸的低功耗廣域網和微控制器技術相結合，有效地解決了數據傳輸距離的問題。并結合了MQTT技術，將所采集的環境質量數據即時發送至云端，使用手機即可訂閱和顯示，應用起來也更加方便。