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    基于Lora技術(shù)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

    2018-05-11 00:53:14冒志益劉光祖
    電子設(shè)計(jì)工程 2018年7期
    關(guān)鍵詞:原理圖網(wǎng)關(guān)客戶端

    冒志益,劉光祖

    (南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇南京210094)

    隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用,以智慧農(nóng)業(yè)為代表的新興產(chǎn)業(yè)越來(lái)越體現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[1]。而對(duì)于占地面積更大的林牧業(yè)的氣象監(jiān)測(cè),目前主流的Zigbee技術(shù)傳輸距離相對(duì)較短,無(wú)法滿足長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊骩2-3]。本系統(tǒng)采用的LoRa技術(shù)是LPWAN通信技術(shù)中的一種,是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式,為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng),可以較好地應(yīng)用于林牧業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸[4-6]。軟件算法設(shè)計(jì)參考了大系統(tǒng)理論,對(duì)各種干擾因子進(jìn)行了綜合調(diào)控,通過(guò)實(shí)地的試驗(yàn),測(cè)試了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性,丟包率控制在0.1%以內(nèi),滿足了工程設(shè)計(jì)的需要。

    1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    節(jié)點(diǎn)部分采用ST公司的STM32芯片設(shè)計(jì),通信模塊采用Semtech公司的SX1276芯片設(shè)計(jì),網(wǎng)關(guān)由終端節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)組成,經(jīng)由Internet連接至云服務(wù)器。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    1.1 無(wú)線芯片、節(jié)點(diǎn)MCU的選擇

    考慮到本系統(tǒng)針對(duì)的是長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)低功耗的特點(diǎn),所以選用SX1276芯片。數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān),既免去了有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€與施工,又由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn),空曠地區(qū)最遠(yuǎn)可達(dá)15 km,可以較好地滿足要求。

    對(duì)于節(jié)點(diǎn)MCU的選擇需要參考一下幾個(gè)因素:1)林牧業(yè)環(huán)境由于其面積較大,所以采用有線布線方式成本較高,而無(wú)線又面臨著功耗和傳輸距離的矛盾,但LoRa技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一矛盾,所以MCU應(yīng)支持相應(yīng)的LoRa芯片或者LoRa模塊。2)是否為SoC(片上系統(tǒng)級(jí))芯片。因?yàn)槠舷到y(tǒng)級(jí)芯片的功能較強(qiáng),片內(nèi)資源豐富,包含若干通道的A/D、D/A、SPI、I2C、UART,以及足夠大的ROM和RAM,外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單,這樣既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定,也有利于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試。3)功耗。由于林牧業(yè)面積較大,可能數(shù)公里內(nèi)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn),如果功耗較高,則需要經(jīng)常更換電池,造成不必要的麻煩。而且系統(tǒng)需要不間斷地采集24h內(nèi)各個(gè)時(shí)段的氣象信息,所以MCU的功耗是影響節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間的重要因素。STM32F103CBT6自 帶 128Kb的 Flash、20Kb的SRAM、7通道DMA控制器、80個(gè)可編程GPIO口,支持ADC、I2C、SPI、UART等外設(shè),可以方便地搭載相應(yīng)的氣象傳感器和LoRa芯片,節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖2所示。

    圖2 節(jié)點(diǎn)原理框圖

    同時(shí),由于LoRa無(wú)線收發(fā)頻率是433 MHz的射頻,所以PCB中天線的布設(shè)成為關(guān)鍵點(diǎn),由于不同用戶所設(shè)計(jì)的PCB排版和所用材料不同,所以在布設(shè)完成后,應(yīng)采用Ansys公司的HFSS V12進(jìn)行仿真測(cè)試后再進(jìn)行PCB的加工。

    1.2 傳感器接口電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)中氣象元素包括溫濕度、光照度、氣壓和風(fēng)速,對(duì)于傳感器的選擇,由于是林牧業(yè)環(huán)境,需考慮以下因素:1)穩(wěn)定性傳感器必須在室外,尤其是晝夜溫差較大時(shí)保持良好的穩(wěn)定性;2)MCU是否提供相應(yīng)的通信接口;3)使用時(shí)限傳感器需要在室外環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量,應(yīng)具有較長(zhǎng)的使用時(shí)限。

    1.2.1 溫濕度傳感器電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)溫濕度傳感器選用SHT20,該傳感器配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的CMOS芯片,一個(gè)電容式濕度傳感元件和一個(gè)能隙溫度傳感元件,嵌入了適于回流焊的雙列扁平無(wú)引腳DNF封裝,體積小,采用I2C協(xié)議與MCU通信,在電路設(shè)計(jì)時(shí),芯片的DATA引腳和SCL引腳接上拉電阻,具體原理圖如圖3所示。

    圖3 溫濕度傳感器設(shè)計(jì)原理圖

    1.2.2 光照度傳感器電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)光照度傳感器選用BH1750FVI,該傳感器通過(guò)50 Hz/60 Hz除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定,接近視覺(jué)靈敏度的光譜靈敏度特性,輸出對(duì)應(yīng)亮度是數(shù)字值,分辨率較高,光源依賴性弱,可以探測(cè)較大范圍內(nèi)的光強(qiáng)度變化(1lx-65535lx),采用I2C與MCU通信。

    在電路設(shè)計(jì)時(shí),SCL引腳和SDA引腳接上拉電阻,ADDR引腳引出,具體原理圖如圖4所示。

    圖4 光照度傳感器設(shè)計(jì)原理圖

    1.2.3 氣壓傳感器電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)氣壓傳感器選用MS5611-01BA,該傳感器包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器,分辨率達(dá)到10 cm,可采用SPI和I2C協(xié)議與MCU通信。本次設(shè)計(jì)采用I2C協(xié)議,將CBS引腳接地,SDO引腳懸空,SCLK和SDA引腳接上拉電阻,具體原理圖如圖5所示。

    圖5 氣壓傳感器設(shè)計(jì)原理圖

    1.2.4 風(fēng)速傳感器電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的三杯風(fēng)速傳感器測(cè)量風(fēng)速,如圖6所示。

    圖6 三杯風(fēng)速傳感器

    其中風(fēng)杯選用碳纖維材料,強(qiáng)度高,啟動(dòng)好;杯體內(nèi)置信號(hào)處理單元能根據(jù)用戶需求輸出相應(yīng)風(fēng)速信號(hào),可廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機(jī)場(chǎng)、港口、實(shí)驗(yàn)室、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域。

    由于該風(fēng)速儀采用RS485接口,所以在電路設(shè)計(jì)時(shí),需采用MAX3485芯片將RS485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平,通過(guò)UART與MCU通信,具體原理圖如圖7所示。

    圖7 電平轉(zhuǎn)換原理圖

    1.3 節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)中采用STM32作為MCU,外圍電路包括溫濕度傳感器、光照傳感器、氣壓傳感器電路,風(fēng)速傳感器(RS485電平轉(zhuǎn)換電路),USB-TTL電平轉(zhuǎn)換電路,USB接口,SWD調(diào)試接口,5~3.3 V電壓轉(zhuǎn)換電路,對(duì)于該芯片的電路設(shè)計(jì)可參考ST公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)[7]。

    在進(jìn)行USB-TTL電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)時(shí),可使用PL2303芯片,該芯片是一種高度集成的接口轉(zhuǎn)換器,可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案,具體電路原理圖如圖8所示。

    圖8 USB-TTL電平轉(zhuǎn)換原理圖

    1.4 LoRa網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

    在一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)后,都需要將數(shù)據(jù)傳送至路由器,再由路由器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理后傳送至互聯(lián)網(wǎng)或服務(wù)器。而在本系統(tǒng)中,由于成品的LoRa網(wǎng)關(guān)的價(jià)格較為昂貴,在節(jié)點(diǎn)數(shù)不多的情況下,使用LoRa網(wǎng)關(guān)會(huì)造成資源浪費(fèi)。所以使用LoRa節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)組成LoRa網(wǎng)關(guān),將LoRa節(jié)點(diǎn)的地址設(shè)置為0xFFFF,作為終端節(jié)點(diǎn),能夠接收所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),同時(shí)也能發(fā)送數(shù)據(jù)至所有節(jié)點(diǎn)。再利用上圖9所示的USB-TTL電平轉(zhuǎn)換電路將終端節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB信號(hào),與LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)編寫(xiě)一個(gè)串口通信軟件,LoRa網(wǎng)關(guān)可以方便接收并記錄終端節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)。

    2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件方面,涉及到單片機(jī),LoRa網(wǎng)關(guān),云服務(wù)器以及移動(dòng)客戶端軟件的相關(guān)編程。

    2.1 節(jié)點(diǎn)MCU的編程

    由于節(jié)點(diǎn)使用的是STM32系列,所以采用ST公司推廣的STM32CubeMX軟件。該軟件使用圖形化配置的方法,免去了在程序中對(duì)于基本的引腳輸入輸出,時(shí)鐘頻率等等的配置,方便了程序開(kāi)發(fā),縮短了開(kāi)發(fā)周期,對(duì)于芯片的芯片配置如圖9所示。

    在設(shè)置了相應(yīng)引腳和時(shí)鐘等參數(shù)后,可以將框架代碼導(dǎo)出到相應(yīng)的編譯軟件。在KEIL5中編程時(shí),需對(duì)傳感器編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于SHT20芯片,使用I2C總線與MCU進(jìn)行通信,主要就是對(duì)芯片初始化函數(shù)SHT20_Init、SCL線的輸入輸出函數(shù)SHT20_SCL_Input、SHT20_SCL_Output、SDA線的輸入輸出函數(shù)SHT20_SDA_Input、SHT20_SDA_Output等進(jìn)行編寫(xiě)。

    圖9 節(jié)點(diǎn)芯片配置圖

    考慮到系統(tǒng)采用電池供電,在算法的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能降低系統(tǒng)功耗。由于在同一時(shí)刻,網(wǎng)關(guān)只能和一個(gè)節(jié)點(diǎn)交換信息,因此本系統(tǒng)采用輪詢方式,在網(wǎng)關(guān)接收一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)前,先由網(wǎng)關(guān)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒信號(hào),節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作,采集氣象信息并發(fā)送到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)成功接收數(shù)據(jù)后,再向節(jié)點(diǎn)發(fā)送休眠信號(hào),節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)后,網(wǎng)關(guān)繼續(xù)向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒信號(hào),如此循環(huán),整個(gè)過(guò)程如圖10所示。

    圖10 節(jié)點(diǎn)通信流程圖

    2.2 USB串口通信的編程

    在終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后,需通過(guò)USB傳送至LoRa網(wǎng)關(guān),再由網(wǎng)關(guān)傳輸至云服務(wù)器,所以如何穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)將是本次程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由于程序是運(yùn)行于PC機(jī)上,可使用MFC來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。MFC是一個(gè)微軟公司提供的類庫(kù),以C++類的形式封裝了Windows API,并且包含一個(gè)應(yīng)用程序框架,以減少應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員的工作量。其中包含大量Windows句柄封裝類和很多Windows的內(nèi)建控件和組件的封裝類。使用MFC編程時(shí),先通過(guò)添加文本框和按鈕對(duì)整體界面進(jìn)行布局,再插入Microsoft Communication Control串口通信類控件,在類向?qū)гO(shè)置每個(gè)控件的變量,最后添加相應(yīng)的控件事件處理函數(shù)。基本設(shè)置完成后,需在框架程序中完善上述的事件處理函數(shù)。主要是對(duì)串口處理函數(shù)的調(diào)用,包括串口選擇函數(shù)SetCommPort()、波特率設(shè)置函數(shù)SetSettings()、緩沖區(qū)大小設(shè)置函數(shù) SetInBufferSize()和SetOutBufferSize()、模式設(shè)置函數(shù)SetInputMode()、串口打開(kāi)函數(shù)SetPortOpen()等等,再運(yùn)用MFC中文本類句柄新建TXT文檔以保存數(shù)據(jù)到PC機(jī)上,軟件界面如圖11所示。

    圖11 串口通信軟件

    2.3 Lora網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器軟件的編程

    在LoRa網(wǎng)關(guān)讀取并保存數(shù)據(jù)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)之后[8],利用網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)知識(shí)[9-10],將LoRa網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器上,用戶可通過(guò)移動(dòng)客戶端經(jīng)由Internet訪問(wèn)云服務(wù)器,整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖12所示。

    在數(shù)據(jù)上傳的過(guò)程中,可采用C/S(客戶端/服務(wù)器)模式。開(kāi)發(fā)軟件選擇Visual Studio 2010,其中包含自帶的Socket函數(shù)類庫(kù),可以方便的運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)編程。主要調(diào)用以下函數(shù):套接字創(chuàng)建函數(shù)Socket.Creat()、服務(wù)器連接函數(shù) Socket.Connect()、連接請(qǐng)求接收函數(shù)Socket.Accept()、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)函數(shù)Socket.Listen()、信息發(fā)送函數(shù) Socket.Send()、信息接收函數(shù) Socket.Receive()、套接字關(guān)閉函數(shù) Socket.Close()等等。初始化時(shí),先指定網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)(一般在0到65535之間取大于1024的值),并建立監(jiān)聽(tīng),等待客戶端的連接。在服務(wù)器端接受到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后,保存在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

    圖12 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

    2.4 移動(dòng)端軟件的編程

    云服務(wù)器存儲(chǔ)了相關(guān)數(shù)據(jù)之后,需要對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。在移動(dòng)端軟件的制作方面,考慮到安卓系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率較高,采用Google公司的Android Studio軟件來(lái)開(kāi)發(fā)安卓軟件[11-16]。仍然采用C/S模式,客戶端通過(guò)Socket與服務(wù)器通信,在編寫(xiě)程序時(shí),可分為以下步驟:1)通過(guò)IP地址和端口實(shí)例化Socket,請(qǐng)求連接服務(wù)器;2)獲取Socket流以進(jìn)行讀寫(xiě),并把流包裝進(jìn)BufferWriter或者 PrintWriter;3)對(duì)Socket進(jìn)行讀寫(xiě);4)關(guān)閉打開(kāi)的流。編寫(xiě)完成后可直接在PC機(jī)上運(yùn)行服務(wù)器程序,手機(jī)上運(yùn)行客戶端軟件,進(jìn)行測(cè)試。

    3 系統(tǒng)測(cè)試

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性,需要測(cè)試一下幾個(gè)方面:1)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的一致性,以及與距離的關(guān)系。2)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)與云服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的一致性。3)移動(dòng)客戶端訪問(wèn)云服務(wù)器時(shí)的流暢度,以及能否及時(shí)地更新數(shù)據(jù)。

    對(duì)于第一點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)的PCB設(shè)計(jì)時(shí)加上USB串口和RS232-USB接口轉(zhuǎn)換芯片PL2303,將節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB與PC機(jī)連接,使用上述制作的USB串口通信軟件,將數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)文檔。由于節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后,傳給STM32,再同時(shí)經(jīng)由LoRa和USB發(fā)送給網(wǎng)關(guān)和PC機(jī),此時(shí)USB端接受到的數(shù)據(jù)等效于LoRa端發(fā)送的數(shù)據(jù),與網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)對(duì)比后如表1所示。

    表1 發(fā)送接收數(shù)據(jù)對(duì)比

    對(duì)于第二點(diǎn),在本次系統(tǒng)測(cè)試時(shí),采用局域網(wǎng)的方式,一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬云服務(wù)器,一臺(tái)計(jì)算機(jī)為客戶端,分別運(yùn)行服務(wù)器和客戶端程序。輸入cmd命令后,在命令行里通過(guò)config指令來(lái)獲得局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器和客戶端的IP地址,服務(wù)器和客戶端IP分別為192.168.1.103和192.168.1.104,在輸入IP地址后,指定相同的端口號(hào)(4096),服務(wù)器端開(kāi)始監(jiān)聽(tīng),客戶端連接服務(wù)器,建立連接后,客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),服務(wù)器端接收數(shù)據(jù),軟件運(yùn)行界面如圖13和圖14所示。

    圖13 客戶端軟件

    圖14 服務(wù)器端軟件

    對(duì)于第三點(diǎn),在本次系統(tǒng)測(cè)試時(shí),用計(jì)算機(jī)模擬云服務(wù)器,開(kāi)始監(jiān)聽(tīng),打開(kāi)手機(jī)客戶端,建立連接后,客戶端端訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù),軟件運(yùn)行界面如圖15所示。

    4 結(jié) 論

    文中設(shè)計(jì)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)林牧業(yè)等

    圖15 移動(dòng)端軟件測(cè)試圖

    覆蓋范圍較大的產(chǎn)業(yè),能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度、濕度、光照度能環(huán)境因素,并使用LoRa節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)構(gòu)成LoRa網(wǎng)關(guān)從而可以方便管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外通過(guò)移動(dòng)客戶端軟件的開(kāi)發(fā),方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

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