基于LoRa的遠(yuǎn)程低功耗水壓采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江鶯 俞旭 俞銘津 韋杰

摘? 要： 針對(duì)基于ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)的水壓采集系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸距離近、抗干擾能力弱、功耗高、環(huán)境適應(yīng)性較差等缺點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)一種基于LoRa的遠(yuǎn)程低功耗水壓采集系統(tǒng)。通過水壓變送器信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)、變送器標(biāo)定與調(diào)零確保水壓采集的準(zhǔn)確性;通過無(wú)線水壓變送器低功耗設(shè)計(jì)確保電池供電的持久性;通過基于LoRa的通信電路設(shè)計(jì)確保遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。測(cè)試安放在建筑物6樓的計(jì)算機(jī)接收無(wú)線水壓變送器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，無(wú)線水壓變送器安裝在通信環(huán)境良好的戶外，只有不到1%的丟幀率;即使在通信環(huán)境比較惡劣的地下室，其丟幀率也不超過1.5%。

關(guān)鍵詞： 水壓采集; 低功耗; 遠(yuǎn)程通信; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 變送器設(shè)計(jì); 實(shí)物測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN98?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(fā)展，消防火災(zāi)問題日益突出。很多消防設(shè)施老舊，尤其是消防供水系統(tǒng)，常常處于故障狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，將無(wú)法及時(shí)提供充足的消防用水，必將造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。采用人工抄表來(lái)采集管網(wǎng)水壓的方式已不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需求。許多新型電子信息技術(shù)已經(jīng)大量運(yùn)用到消防等遠(yuǎn)程抄表領(lǐng)域，推動(dòng)了許多領(lǐng)域的發(fā)展，如ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)已經(jīng)在很多行業(yè)廣泛應(yīng)用，但是ZigBee在數(shù)據(jù)傳輸過程中容易受到地理環(huán)境和建筑物的影響，只適合近距離的數(shù)據(jù)傳輸;而且ZigBee本身功耗較大，難以應(yīng)用于對(duì)功耗要求較高的場(chǎng)所[1]。由于現(xiàn)場(chǎng)布線不方便，設(shè)計(jì)一種電池供電的低功耗無(wú)線水壓采集系統(tǒng)就顯得十分必要。LoRa技術(shù)是一種擴(kuò)頻通信技術(shù)，該技術(shù)本身具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)[2?4]?；诖耍疚臄M將SX1278射頻芯片的LoRa遠(yuǎn)程抄表技術(shù)運(yùn)用到水壓采集系統(tǒng)中，不僅可以減小地理環(huán)境和建筑物對(duì)無(wú)線通信造成的通信盲區(qū)，大大提高系統(tǒng)使用范圍和穩(wěn)定性，而且可以降低無(wú)線變送器的功耗。

1? 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

基于LoRa的遠(yuǎn)程低功耗水壓采集系統(tǒng)由無(wú)線水壓變送器、中繼器、集中器三部分構(gòu)成[5]，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。為了克服布線帶來(lái)的不便，無(wú)線水壓變送器采用電池供電，負(fù)責(zé)采集水壓數(shù)據(jù)并通過SX1278射頻芯片無(wú)線發(fā)送給中繼器。中繼器的主要功能是將無(wú)線變送器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給集中控制器，一個(gè)中繼器理論上可以接收無(wú)限多個(gè)無(wú)線水壓變送器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。但是為了避免多個(gè)無(wú)線變送器同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)造成信道阻塞，在自定義通信協(xié)議中規(guī)定，一個(gè)中繼器最多只能接收255個(gè)變送器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。集中器通過SX1278射頻芯片接收中繼器傳來(lái)的水壓數(shù)據(jù)并通過4G模塊、以太網(wǎng)上傳給服務(wù)器或者通過RS 232直接上傳計(jì)算機(jī)。為了減小變送器、中繼器、集中器三者之間通信同頻干擾。無(wú)線水壓變送器與中繼器之間采用433 MHz頻率進(jìn)行通信，中繼器與集中器之間采用470 MHz頻率進(jìn)行通信。

每個(gè)變送器只可以發(fā)送給指定的一個(gè)中繼器，但是每個(gè)中繼器可以接收多個(gè)變送器的數(shù)據(jù)，同理每個(gè)集中器也可以接收多個(gè)中繼器傳遞過來(lái)的數(shù)據(jù)。變送器，中繼器、集中器三者之間采用單向網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。變送器每隔一段時(shí)間采集并發(fā)送一次水壓數(shù)據(jù)給指定的中繼器，其他時(shí)間變送器處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。集中器接收到數(shù)據(jù)后，每隔固定的時(shí)間將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器或者計(jì)算機(jī)。集中器在一定的時(shí)間內(nèi)沒有收到某個(gè)變送器的數(shù)據(jù)，則判定此變送器發(fā)送故障。采用這樣的設(shè)計(jì)可以大大降低無(wú)線變送器的功耗和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)量。本文重點(diǎn)闡述無(wú)線水壓變送器的設(shè)計(jì)。

2? 無(wú)線水壓變送器的設(shè)計(jì)

無(wú)線水壓變送器通過傳感器獲取模擬信號(hào)，信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終通過SX1278射頻芯片發(fā)送出去。其設(shè)計(jì)量程為0～1.8 MPa。根據(jù)不同批次傳感器的不同線性特征，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定與調(diào)零。整個(gè)無(wú)線變送器采用電池供電，為了保證變送器能長(zhǎng)久工作，需要對(duì)其進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。

2.1? 無(wú)線水壓變送器信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

陶瓷壓阻壓力傳感器的內(nèi)部是一個(gè)由4個(gè)厚膜電阻連接成的惠斯通電橋。當(dāng)外部壓力作用于膜片時(shí)，電阻值發(fā)生改變，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性電壓信號(hào)[6?7]。信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后輸入STM8型MCU的ADC引腳。圖2為AD623運(yùn)算放大器電路圖。S-，S+為模擬輸入端，芯片第6引腳OUTPUT為運(yùn)算放大器的輸出端[8?9]。

2.2? 通信電路設(shè)計(jì)

SX1278射頻芯片是LoRa射頻部分的核心，也是整個(gè)水壓采集系統(tǒng)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(diào)制方式，還支持FSK，GSK，MSK等多種調(diào)制方式。當(dāng)它工作在LoRa調(diào)制模式時(shí)，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(shè)計(jì)

SX1278射頻芯片基本外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示。SX1278的第3，14和24引腳，分別是模擬電路、數(shù)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(gè)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(wěn)定性。SX1278射頻芯片通過SPI接口以及DI0～DI5引腳與MCU進(jìn)行通信，MCU可以控制NRESET引腳復(fù)位SX1278芯片。

2.2.2? SX1278射頻芯片外圍射頻電路設(shè)計(jì)

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(fā)射、接收電磁波來(lái)傳輸信號(hào)，其由兩個(gè)發(fā)射引腳PA_BOOST，RFO_LF和一個(gè)接收引腳RFI_LF組成。PA_BOOST引腳發(fā)射功率最高為20 dBm，發(fā)射電流為120 mA左右;RFO_LF引腳功率最高為14 dBm，發(fā)射電流最低為29 mA。為了保證最長(zhǎng)的通信距離和穩(wěn)定的通信品質(zhì)，本設(shè)計(jì)選用高功率發(fā)射引腳PA_BOOST作為發(fā)射端。使用PE4259射頻開關(guān)芯片來(lái)控制收發(fā)，將收發(fā)支路分開。在PA_BOOST發(fā)射端用電感電容組成匹配電路外加一個(gè)濾波器，然后進(jìn)入射頻開關(guān)。接收端也是用電感電容組成匹配電路。射頻開關(guān)后端有一個(gè)由L4，C15，C16組成的Π型濾波器，不僅有利于去除發(fā)射的諧波，并且能濾除接收時(shí)的干擾信號(hào)[11?12]。

2.3? 無(wú)線水壓變送器低功耗設(shè)計(jì)

無(wú)線水壓變送器每隔一段時(shí)間采集并發(fā)送一次水壓數(shù)據(jù)，其他時(shí)間MCU處于休眠的低功耗模式，MCU進(jìn)入休眠模式前關(guān)斷運(yùn)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(guī)定的休眠時(shí)間到，喚醒MCU，MCU進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)打開相應(yīng)的電源使系統(tǒng)正常工作，其電源控制電路如圖5所示。無(wú)線變送器采用4個(gè)三極管，組成2組開關(guān)電路，分別控制運(yùn)算放大電路電源VCC2和通信電路電源VCC3的通斷。當(dāng)無(wú)線水壓變送器需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MCU使POUT1為高電平，NPN型三極管Q3導(dǎo)通，此時(shí)PNP型三極管Q1的基極被拉低，Q1導(dǎo)通，運(yùn)放電路電源VCC2被接通，圖2所示的運(yùn)算放大器處于工作狀態(tài)，用來(lái)放大傳感器采集的電信號(hào)。反之，MCU使POUT1為低電平時(shí)，Q3，Q1被關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器電路不工作時(shí)關(guān)閉其電源VCC2，確保電路低功耗。同理，POUT2為高電平時(shí)，通信電路供電電源VCC3接通，通信電路處于數(shù)據(jù)收發(fā)的工作狀態(tài)。POUT2為低電平時(shí)，關(guān)閉通信電路供電電源VCC3，確保電路低功耗。

2.4? 無(wú)線水壓變送器標(biāo)定與調(diào)零

模擬信號(hào)經(jīng)MCU的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)值保存在MCU的內(nèi)部A/D寄存器中。為了確定寄存器中A/D值對(duì)應(yīng)的具體水壓值，需要進(jìn)行調(diào)零和標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，將無(wú)線變送器與標(biāo)準(zhǔn)水壓傳感器接在同一根通管上，在0～1.8 MPa內(nèi)，選取多個(gè)水壓測(cè)量點(diǎn)，記錄標(biāo)準(zhǔn)水壓傳感器水壓值P與MCU對(duì)應(yīng)的A/D寄存器中的十進(jìn)制數(shù)值y，采用Origin得到擬合曲線如圖6所示，一次擬合函數(shù)如下：

式中，p為傳感器水壓值。該函線性數(shù)擬合度為0.999 98，高線性擬合度表示MCU對(duì)應(yīng)的A/D寄存器與水壓呈良好的線性關(guān)系。

由于傳感器制造誤差等各種原因，當(dāng)沒有水時(shí)，其A/D值并不為零，所以需要對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零。本設(shè)計(jì)中調(diào)零采用軟件調(diào)零的方式，在水壓為零的情況下，按下變送器上的按鈕，進(jìn)入調(diào)零模式，變送器記錄下此時(shí)的A/D值作為零點(diǎn)值。

2.5? 無(wú)線變送器軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線變送器主程序流程圖如圖7所示。在主程序中，首先實(shí)現(xiàn)串口、SX1278射頻芯片等初始化配置，然后判斷MCU內(nèi)部存儲(chǔ)單元E2PROM中是否保存過變送器地址、零點(diǎn)A/D值基本信息，如果沒有則繼續(xù)等待，有則讀取基本信息。此時(shí)進(jìn)入主程序循環(huán)，在主循環(huán)中進(jìn)入休眠，等待規(guī)定的休眠時(shí)間到，喚醒休眠，喚醒后打開運(yùn)算放大器和通信電路供電，采集水壓數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，然后關(guān)閉運(yùn)算和通信電路供電并再次進(jìn)入休眠，以確保低功耗。

無(wú)線變送器MCU采集水壓數(shù)據(jù)，利用SX1278射頻芯片將水壓數(shù)據(jù)按自定義的報(bào)文格式發(fā)送出去，報(bào)文格式如表1所示，一條報(bào)文由6個(gè)字節(jié)構(gòu)成，除起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)，還包括此變送器的地址、中繼器的地址、水壓數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

3? 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試階段，選用4個(gè)變送器，2個(gè)中繼器，1個(gè)集中器和1臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試。將4個(gè)變送器分別設(shè)置地址編號(hào)為1，2，3，4。將2個(gè)中繼器編號(hào)為1號(hào)中繼器和2號(hào)中繼器。1號(hào)和2號(hào)變送器安裝在地下室監(jiān)測(cè)點(diǎn)，無(wú)線通信環(huán)境較為惡劣。1號(hào)中繼器安裝在地下室入口處，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)1號(hào)和2號(hào)變送器的數(shù)據(jù)給集中器。3號(hào)和4號(hào)變送器安裝在通信環(huán)境良好的戶外監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距離集中器直線距離約400 m。2號(hào)中繼器安裝在3號(hào)、4號(hào)變送器和集中器等距離處，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)3號(hào)和4號(hào)變送器的數(shù)據(jù)給集中器。集中器負(fù)責(zé)接收1號(hào)和2號(hào)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，集中器與計(jì)算機(jī)均安放在建筑物6樓，集中器通過RS 232直接上傳數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，無(wú)線水壓變送器的數(shù)據(jù)最終上傳給計(jì)算機(jī)。為了方便實(shí)驗(yàn)，變送器每隔1 min發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)變送器10 h成功上傳給計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)幀數(shù)，并計(jì)算最終的丟幀率，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，本設(shè)計(jì)基于LoRa的數(shù)據(jù)傳輸具有較低的丟幀率，在通信環(huán)境良好場(chǎng)所，只有不到1%的丟幀率，即使在通信環(huán)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(wú)線遠(yuǎn)程水壓采集系統(tǒng)對(duì)無(wú)線通信品質(zhì)的要求。

4? 結(jié)? 論

本文通過水壓變送器信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)、變送器標(biāo)定與調(diào)零確保水壓采集的準(zhǔn)確性;通過無(wú)線水壓變送器低功耗設(shè)計(jì)確保電池供電的持久性;通過基于LoRa的通信電路設(shè)計(jì)確保遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。接收?shù)據(jù)的集中器與計(jì)算機(jī)均安放在建筑物6樓，集中器通過RS 232直接上傳數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，無(wú)線水壓變送器的數(shù)據(jù)最終上傳給計(jì)算機(jī)。測(cè)試結(jié)果如下：無(wú)線水壓變送器安裝在通信環(huán)境良好的戶外，距離集中器直線距離約400 m處，計(jì)算機(jī)接收的數(shù)據(jù)只有不到1%的丟幀率。無(wú)線水壓變送器安裝在通信環(huán)境比較惡劣的地下室，計(jì)算機(jī)接收的數(shù)據(jù)丟幀率不超過1.5%。

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