基于LoraWan的農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊永昌,李樹(shù)平,徐龍躍,馮駿

摘要：設(shè)計(jì)一種基于LoraWan的農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)可以大范圍實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)，其設(shè)備端由嵌入式微處理器與SX1278實(shí)現(xiàn)LoraWan網(wǎng)絡(luò)搭建，網(wǎng)關(guān)端采用HT-M00雙通道，云端使用LoraWan騰訊云解決方案，進(jìn)一步降低了功耗和低成本，具有一定的理論與實(shí)踐意義.

關(guān)鍵詞：LoraWan技術(shù);嵌入式微處理器;騰訊云;RT-Thread

[中圖分類號(hào)]TP23[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Research on Farmland Meteorological Monitoring

System Based on LoraWan

XIONG? Yongchang，LI Shuping，XU Longyue，F(xiàn)ENG Jun

（School of Physics and Electronic Engineering，Mudanjiang Normal University，Mudanjiang 157000，China）

Abstract：A farmland weather monitoring system based on LoraWan is proposed.The system can implement a large-scale farmland weather monitoring system.The device end is built by an embedded microprocessor and SX1278 to achieve a LoraWan network.The gateway end uses HT-M00 dual-channel，and the cloud uses LoraWan Tencent cloud solutions to further reduce power consumption and low cost.Has certain theoretical and practical significance.

Key words：LoraWan technology;embedded microprocessor;Tencent Cloud;RT-Thread

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)被應(yīng)用于各種領(lǐng)域.LoraWan方案作為一種簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗的無(wú)線電通信手段應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)等行業(yè).[1]LoraWan無(wú)線通信協(xié)議是相當(dāng)簡(jiǎn)單的星型或星型對(duì)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于星形拓?fù)涞腖oraWan網(wǎng)絡(luò)避免了多跳帶來(lái)的數(shù)據(jù)冗余和能耗損失，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上報(bào)給服務(wù)器，子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上報(bào)給多個(gè)網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上執(zhí)行冗余監(jiān)測(cè)和安全檢查及信息調(diào)度.[2]LoraWan系統(tǒng)的一般網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分，第一部分是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)部分，一般在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)安裝有各類傳感器等數(shù)據(jù)收集裝置，設(shè)備端運(yùn)行RTC及LoraWan協(xié)議棧進(jìn)行LoraWan通信.第二部分為L(zhǎng)oraWan網(wǎng)關(guān)設(shè)備，工業(yè)領(lǐng)域使用八通道接收一通道下發(fā)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，最大可接納終端設(shè)備可達(dá)萬(wàn)以上.網(wǎng)關(guān)設(shè)備不僅需要運(yùn)行LoraWan協(xié)議棧，還要運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧、MQTT和HTTP協(xié)議.第三部分為云端部分或服務(wù)器部分，主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自LoraWan網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)下發(fā)數(shù)據(jù).開(kāi)發(fā)者可以在云平臺(tái)上注冊(cè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā).第四部分為用戶端，用戶端不依賴具體平臺(tái)，只要訪問(wèn)服務(wù)器即可獲取來(lái)自各個(gè)終端的數(shù)據(jù).本文提出一種基于LoraWan技術(shù)的大范圍農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)備端由嵌入式微處理器與SX1278實(shí)現(xiàn)LoraWan網(wǎng)絡(luò)搭建，系統(tǒng)搭載可裁剪風(fēng)向風(fēng)速傳感器、雨量計(jì)、溫濕度計(jì)、土壤濕度計(jì)等氣象傳感器，網(wǎng)關(guān)端采用HT-M00雙通道低成本網(wǎng)關(guān)解決方案，云端使用LoraWan騰訊云解決方案.[3]

1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可劃分為四個(gè)部分：第一部分為L(zhǎng)ora的終端設(shè)備，負(fù)責(zé)采集環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理與存儲(chǔ)，上報(bào)給LoraWan網(wǎng)關(guān).第二部分為L(zhǎng)oraWan網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)接收來(lái)自終端數(shù)據(jù)的上行信息，經(jīng)過(guò)處理后上報(bào)給服務(wù)器.第三部分為云端部分或服務(wù)器部分，主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自LoraWan網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)下發(fā)數(shù)據(jù).第四個(gè)部分為用戶端，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器獲得終端的數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一步處理.

1.1終端設(shè)備

終端設(shè)備包含控制器、傳感器和射頻設(shè)備.設(shè)備采用STM32L4微處理器，使用MAX485芯片，集成MODBUS等工業(yè)傳感器通信協(xié)議總線接口、信息采集傳感器接口，通過(guò)SX1278擴(kuò)頻通信芯片實(shí)現(xiàn)Lora數(shù)據(jù)傳輸.傳感器有風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向計(jì)、雨量計(jì)、溫度計(jì)、濕度計(jì)、光強(qiáng)計(jì)等多種可裁剪傳感器.SMT32L4微控制器擁有出色的低功耗解決方案，提供動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)平衡功耗和處理需求，擁有低功耗的LP UART，LP TIMER等眾多外設(shè)和一些高級(jí)低功耗模擬外設(shè).SX1278是一個(gè)半雙工的低中頻無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器，當(dāng)SX1278接收射頻信號(hào)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器LNA將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?hào)，中頻輸出正相交信號(hào)，模擬轉(zhuǎn)數(shù)字進(jìn)行下一步處理.SX1278包含兩個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)，一個(gè)為RC振蕩器，另一個(gè)為32 mHz晶振時(shí)鐘，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.MX485是一種標(biāo)準(zhǔn)RS-485總線協(xié)議芯片，是一種半雙工、低功耗的數(shù)據(jù)收發(fā)器，通常采用+5 V單電源工作，額定電流約300微安，使用RO和IO端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，RE和DE端分別控制接收使能和發(fā)送使能.當(dāng)RE為邏輯電平低時(shí)，RS-485設(shè)備工作在數(shù)據(jù)接收狀態(tài);當(dāng)DE為邏輯電平高時(shí)，RS-485設(shè)備工作在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，匹配100歐姆的阻抗.

光碼盤通過(guò)光電轉(zhuǎn)化把位移量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用以測(cè)定設(shè)備的轉(zhuǎn)速.風(fēng)向計(jì)八方位的干簧管測(cè)定八種風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)向計(jì)轉(zhuǎn)向不同的方向時(shí)，導(dǎo)通不同的干簧管測(cè)定風(fēng)向.采用翻斗式雨量計(jì)，通過(guò)雙觸點(diǎn)通斷信號(hào)輸出，分辨率為2 mm.溫度計(jì)與濕度計(jì)采用AHT10芯片.AHT10是一個(gè)高精度的溫濕度傳感器，其溫度精度為0.3攝氏度，濕度精度為2%RH，AHT10通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口與微處理器進(jìn)行通信.光強(qiáng)計(jì)采用AP3216C芯片，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.

1.2接收網(wǎng)關(guān)

接收網(wǎng)關(guān)由ESP32驅(qū)動(dòng)兩片SX1278組成，雙通道接收，利用WiFi上報(bào)數(shù)據(jù).網(wǎng)關(guān)部分是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的LoraWan網(wǎng)關(guān)，本系統(tǒng)采用雙通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.網(wǎng)關(guān)最大可支持30個(gè)Lora終端設(shè)備同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.ESP32是一款低成本Tensilica LX6雙核32位微處理器，主頻為80～240 mHz，可調(diào)節(jié)，集成傳統(tǒng)的藍(lán)牙功能、低功耗藍(lán)牙和WiFi，擁有520KB SRAM，最大支持8 MB片外SPI SRAM，支持最大16 MB的片外SPI FLASH，擁有豐富外設(shè)接口，廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域.

2通信協(xié)議及軟件結(jié)構(gòu)

2.1通信協(xié)議

Lora終端設(shè)備主要采用IIC和SPI協(xié)議.IIC協(xié)議是一種異步、低速率、串行、半雙工通信協(xié)議.有數(shù)據(jù)線SDA、時(shí)鐘線SCL及電源、地線組成.IIC總線在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中共有三種類型信號(hào)：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào).在實(shí)際使用過(guò)程中，起始信號(hào)是必需的.當(dāng)IIC總線的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線空閑狀態(tài)，此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高.當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高期間，數(shù)據(jù)線SDA由高到低跳變規(guī)定為IIC起始信號(hào)，起始信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào).當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高期間，數(shù)據(jù)線SDA由低到高的跳變規(guī)定為停止信號(hào)，是一種電平跳變時(shí)序信號(hào).IIC的主機(jī)發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖期間釋放掉數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào).當(dāng)應(yīng)答信號(hào)為邏輯電平低時(shí)，則判定有應(yīng)答，當(dāng)應(yīng)答信號(hào)為邏輯電平高時(shí)，則判定沒(méi)有應(yīng)答.當(dāng)數(shù)據(jù)在IIC總線上進(jìn)行傳輸時(shí)，必須保證時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定，時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，只有時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，才允許數(shù)據(jù)線上存在數(shù)據(jù)的變更.[4]

SPI協(xié)議是一個(gè)同步、全雙工、串行口通信協(xié)議.SPI協(xié)議擁有SCK，NSS，MOSI，MISO四根線，NSS為片選線，SCK為時(shí)鐘線，MOSI為主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收數(shù)據(jù)線，MISO為主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)線.在SPI總線上的主機(jī)必須在通信開(kāi)始的時(shí)候配置并規(guī)定好生成相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，在每個(gè)SPI周期內(nèi)發(fā)生全雙工的數(shù)據(jù)傳輸.SPI配置時(shí)鐘極性，時(shí)鐘極性和相位共同決定讀取數(shù)據(jù)的方式.時(shí)鐘極性反轉(zhuǎn)是描述當(dāng)時(shí)鐘空閑時(shí)IDLE為高電平還是低電平，參考數(shù)據(jù)手冊(cè)配置.時(shí)鐘相位決定了在時(shí)鐘跳變的第幾個(gè)邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，參數(shù)為第一個(gè)跳變邊沿和第二個(gè)跳變邊沿.根據(jù)時(shí)鐘極性的不同，共有四種不同的搭配方式.SPI具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，靈活的數(shù)據(jù)傳輸位，不限于8位，可以是任意字節(jié)的傳輸和簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu).SPI的局限在于僅支持一個(gè)主設(shè)備，無(wú)應(yīng)答信號(hào)，引腳多，傳輸距離短，沒(méi)有硬件糾錯(cuò).[5]

2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件可分為兩個(gè)部分：LoraWan部分和NETWORK部分.設(shè)備端使用RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，LoraWan-EN-STACK協(xié)議棧.RT-Thread是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)、允許多個(gè)任務(wù)調(diào)度運(yùn)行.RT-Thread是國(guó)產(chǎn)、純C語(yǔ)言編寫、淺顯易懂、方便移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).LoraWan-EN-STACK是應(yīng)用于LoraWan設(shè)備終端的LoraWan協(xié)議棧，可實(shí)現(xiàn)Lora終端設(shè)備的Class A與Class C工作模式.

LoraWan網(wǎng)關(guān)部分需要運(yùn)行NETWORK部分，主要有LoraWan協(xié)議棧，HTTP，MQTT，NTP等協(xié)議.設(shè)備端軟件見(jiàn)圖2.系統(tǒng)通過(guò)SPI總線初始化SX1278 Lora芯片，與SX1278建立通信連接，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘為L(zhǎng)oraWan協(xié)議通信提供毫秒級(jí)延時(shí)，設(shè)備獲取傳感器數(shù)據(jù)，RT-Thread通過(guò)實(shí)時(shí)定時(shí)調(diào)度將獲取的傳感器數(shù)據(jù)存入LoraWan協(xié)議棧的緩存區(qū)，定時(shí)啟動(dòng)發(fā)送.

微處理器通過(guò)編碼器獲取風(fēng)速計(jì)的數(shù)據(jù)，采用M法測(cè)速，通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)A相輸出的脈沖數(shù)量來(lái)得到速度信息.STM32自帶編碼盤接口，使用硬件技術(shù)即可讀取編碼盤的轉(zhuǎn)速.在STM32中，編碼器接口模式相當(dāng)于使用了一個(gè)帶有方向選擇的外部時(shí)鐘，兩個(gè)輸入TI1和TI2為編碼器的接口，TI1FP1與TI2FP2是TI1，TI2經(jīng)過(guò)濾波和極性控制的信號(hào)，計(jì)數(shù)器通過(guò)讀取TI1FP1與TI2FP2的有效變動(dòng)，根據(jù)跳變的順序，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖和方向脈沖.通過(guò)修改TIMx_CR1寄存器的DIR位來(lái)修改計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向.微處理器通過(guò)讀取經(jīng)過(guò)三八譯碼器的干簧管信號(hào)來(lái)計(jì)算風(fēng)向.八個(gè)干簧管分別對(duì)應(yīng)東、西、南、北、東北、西北、東南、西南八個(gè)方位.微處理器通過(guò)一個(gè)干簧管的通斷來(lái)計(jì)算雨量計(jì)翻斗的翻動(dòng)次數(shù)計(jì)算雨量.微處理器通過(guò)IIC協(xié)議讀取溫濕度、光照傳感器的數(shù)據(jù).圖3為網(wǎng)關(guān)端軟件結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)端通過(guò)ESP-IDF搭建，上層調(diào)用WiFi協(xié)議棧、MQTT協(xié)議與LoraWan云平臺(tái)通信.ESP32移植了LoraWan協(xié)議棧，通過(guò)使用SPI總線與兩路SX1278進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)470～510 mHz兩個(gè)頻點(diǎn)的LoraWan通信.

本文提出了基于LoraWan的農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，節(jié)點(diǎn)設(shè)備端使用國(guó)產(chǎn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)端以減少通道的方式降低了整體系統(tǒng)的搭建難度，降低了整體系統(tǒng)功耗和開(kāi)發(fā)成本，具有一定的理論與實(shí)踐意義.

參考文獻(xiàn)

[1]林甄，謝金冶，田碩，等.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究.2022，44（6）：188-193.

[2]陳志宏，王興安.LoRa在電力行業(yè)典型應(yīng)用與問(wèn)題探討[J].長(zhǎng)江信息通.2021，34（5）：87-91.

[3]王鵬，劉志杰，鄭欣.LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].信息通信技術(shù).2017，11（5）：65-70.

[4]周飛，李錚，高萬(wàn)明.嵌入式防疫識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2021（2）：30-33.

[5]陳木生，盧文杰，曾永西，等.防堵塞雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，（2）：34-36.

編輯：琳莉