一種基于LoRa 的防冰雹無線通信模塊設計

孫宇航，楊延寧，2，余知樸，2，李 雪，杜永星

（1.延安大學物理與電子信息學院，陜西延安 716000；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000）

近年來，冰雹天氣頻繁發(fā)生，對果樹樹體、樹枝、樹葉、果實造成不同程度的破壞，如樹體砸傷、樹枝折斷、果實脫落等，給種植戶造成極大的經(jīng)濟損失[1]。突發(fā)惡劣冰雹天氣不但造成果樹當年減產(chǎn)，也對今后3～5 年的產(chǎn)量非常不利[2]。而目前市場上僅有一些非智能化的簡易防冰雹設備，例如防雹網(wǎng)就是其中一種。由于冰雹天氣發(fā)生的不確定性和突發(fā)性導致傳統(tǒng)防雹網(wǎng)只能長期搭建在果園上方，防雹效果很不明顯，且長期搭建在果樹上空對果園內(nèi)的環(huán)境及果樹有明顯的影響。因此一系列防冰雹裝置應運而生，在此背景下，該文設計了一種應用于智能防冰雹裝置的無線通信模塊，應用該模塊后裝置能夠?qū)庀笮畔⒆鲆幌盗兄悄芑臄?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳遞，以達到遠程實時監(jiān)控的目的，使得智能防冰雹裝置在基本的智能化防冰雹的基礎上同時還能夠?qū)麍@內(nèi)的環(huán)境進行檢測，讓智能防冰雹裝置的功能更加智能、全面[3-4]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

該文設計的無線通信模塊能夠適用于自動防冰雹裝置，能夠?qū)麍@所處地理位置的氣象數(shù)據(jù)進行實時檢測與采集，最終通過LoRa 無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器終端，云服務器終端對數(shù)據(jù)進行分析與處理，然后對比閾值發(fā)出預警以防止突發(fā)惡劣的氣象環(huán)境對果樹的生長、果實的產(chǎn)量造成損害，從而盡可能地減小對種植戶造成的經(jīng)濟損失，方便人們對果園進行智能化管理[5]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫濕度傳感器DHT11、主控器STC89C51 兩部分組成[6-7]，能夠?qū)崿F(xiàn)對果園內(nèi)溫度和濕度的采集功能。數(shù)據(jù)的收發(fā)系統(tǒng)由兩個LoRa 無線通信模塊及GPRS 模塊兩部分組成[8-9]，接收端的LoRa 無線通信模通過GPRS模塊將所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務器，實現(xiàn)遠距離的傳輸與監(jiān)測。如果氣象數(shù)據(jù)值超過所設置的閾值，則數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)內(nèi)部的報警模塊將發(fā)出警報聲警示[10-12]。圖1 所示為系統(tǒng)整體架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 主要模塊電路的設計

2.1 溫濕度采集系統(tǒng)設計

溫濕度的采集系統(tǒng)由主控制器STC89C51、SX 1262ZTR4-GC(A)無線通信模塊和DHT11 溫濕度傳感器三部分連接而成。DHT11 溫濕度傳感器與STC 89C51 兩者之間通過IIC 總線連接，SX1262ZTR4-GC無線通信模塊和STC89C51 主控元件的通信方式是通過串口進行的。SX1262ZTR4-GC(A)無線通信模塊對于數(shù)據(jù)的發(fā)送與SX1262ZTR4-GC（B）無線通信模塊數(shù)據(jù)的接收原理相同，均采用中斷的方式進行收發(fā)。

其中DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它里面含有一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，可以與STC89C51RC 系列兼容0851 內(nèi)核的單片機相連接。

圖2 DHT11溫濕度傳感器的電路原理圖

DHT11 溫濕度傳感器具備抗干擾能力強、反應快、性價比高，對于溫濕度的采集具有很高的可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點。另外DHT11 溫濕度傳感器件采用的是單總線通信，即只有一根數(shù)據(jù)線，它需要外接一個約5 kΩ的上拉電阻[13]，以防止序列出現(xiàn)混亂，若出現(xiàn)混亂則不會產(chǎn)生響應，系統(tǒng)對果園內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的交換、控制都是由單總線來完成。圖3 為溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設計流程圖。

圖3 溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設計流程圖

2.2 LoRa無線通信模塊設計

該系統(tǒng)選擇使用SX1262ZTR4-GC 無線模塊，這款無線通信模塊是基于SEMTECH 射頻集成芯片的SX126X 下的其中一款射頻模塊，其是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，它最大的特殊性就是使用LoRa 調(diào)試方式，能夠大大地增加通信距離。它具有很小的體積，非常節(jié)省空間，而且較低的能量消耗和良好的抗干擾性也是它的一大優(yōu)勢[14]。圖4 所示為SX1262 ZTR4-GC 無線模塊的接線圖。

圖4 SX1262ZTR4-GC無線模塊接線圖

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要由STC89C51(B)主控器、SX1262ZTR4-GC(B)無線通信模塊以及GPRS 模塊三部分構(gòu)成。此數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)對溫濕度系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行接收，然后將數(shù)據(jù)打包處理以后發(fā)送至云服務器終端。設計的關(guān)鍵在于保證溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸時，可避免同一信道的干擾，因此對于溫濕度數(shù)據(jù)傳輸選擇點對點的傳輸模式，使用兩個無線傳輸系統(tǒng)SX1262ZTR4-GC(A)與SX1262ZTR4-GC(B)組成一個整體的收發(fā)系統(tǒng)，SX1262ZTR4-GC(A)與溫濕度傳感器連接，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給SX1262ZTR4-GC(B)。當檢測到有數(shù)據(jù)接收時，SX1262ZTR4-GC(B)無線通信模塊將會對接收的溫濕度數(shù)據(jù)進行解碼及驗證，數(shù)據(jù)驗證正確后以中斷的方式進行數(shù)據(jù)接收，當接收到數(shù)據(jù)后會立馬中斷，每中斷一次，接收并保存8 位數(shù)據(jù)，最終將所有數(shù)據(jù)保存在緩沖器的同一個數(shù)據(jù)組中，數(shù)據(jù)接收完畢后，利用GPRS 模塊將所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器終端[15]。一旦數(shù)據(jù)發(fā)射完畢，模塊將會自動從原來的發(fā)射狀態(tài)恢復到數(shù)據(jù)持續(xù)檢測、接收狀態(tài)，對來自于SX1262ZTR4-GC(A)無線通信模塊發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)做好隨時接收的準備。

2.3 云服務器自動檢測平臺設計

溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)平臺主要的功能是接收果園溫濕度檢測到的數(shù)據(jù)、并對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲和分析，還可以設置溫濕度檢測數(shù)據(jù)的閾值，若超過設定值，則立即進行報警。用戶還可以在手機、電腦等設備終端上通過遠程登錄，實現(xiàn)對所測數(shù)據(jù)的查詢，該設計選用的是億恩云服務器作為監(jiān)測平臺[16]。

1）在云服務器上使用TPC 服務來建立一個接收處理程序，用來提供接收溫濕度數(shù)據(jù)的連接。

2）通過SX1262ZTR4-GC（B），利用GPRS 模塊將所要發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務器。

3）云服務器通過文本形式的方式將溫濕度的數(shù)據(jù)進行存儲，以方便后期的讀取。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)糧油作物節(jié)水技術(shù)集成模式…………………………………………………………… 史海濱，閆建文，李仙岳（36）

4）采用Web 的方式將存儲的溫濕度數(shù)據(jù)進行顯示，即創(chuàng)建一個apache。

5）最終形成html文件反饋給瀏覽器。

6）用戶可以通過瀏覽器打開顯示頁面，觀測最新的溫濕度檢測情況。

自動溫濕度檢測平臺軟件功能的模塊如圖5所示。

圖5 云服務器自動檢測平臺軟件功能的模塊

整個云服務器自動檢測平臺首先通過GPRS 模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)并進行存儲，然后對數(shù)據(jù)進行整體分析，與所設置的閾值進行對比，若超過設定的范圍則發(fā)出警報，與此同時將測量結(jié)果顯示到主頁面，以方便查看，而且也可以通過數(shù)據(jù)存儲對之前的測量數(shù)據(jù)進行回看。

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)整體測試地點在樓底村的果樹基地，為了得到植物最適宜的溫濕度生長環(huán)境，此次測量將整個裝置放置在距離植物根部0.3～0.5 m 的高度，同時避免植物的枝葉遮擋住測量系統(tǒng)，使溫濕度傳感器充分接收光照，系統(tǒng)整體測試主要包括以下幾個方面：

1）測量值誤差測試

溫濕度檢測數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。

表1 溫濕度檢測數(shù)據(jù)

此次試驗選取了八個時間點，分別記錄每一時刻的溫度和濕度數(shù)值，先將所有測量值求平均值，然后與實際值作差，通過計算可以得出相對誤差大約為5%，測量精度基本上能夠滿足實際測量需要。

2）網(wǎng)絡穩(wěn)定性測試

網(wǎng)絡測試主要包括兩個方面：一方面是兩個無線傳輸系統(tǒng)SX1262ZTR4-GC(A)與SX1262ZTR4-GC（B）組成的無線收發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試。通過實際檢測能夠發(fā)現(xiàn)，此收發(fā)系統(tǒng)的網(wǎng)絡非常平穩(wěn)，收發(fā)系統(tǒng)有0.05～0.08 s的時間延遲，能夠達到氣象數(shù)據(jù)實時采集的要求[17]。另一方面是電信公司提供的網(wǎng)絡業(yè)務能否正常運行，檢測發(fā)現(xiàn)它的上下行網(wǎng)速分別為2.3 Mpbs、2.0 Mpbs，具有較好的穩(wěn)定性，保證檢測時不會出現(xiàn)卡頓問題，能夠達到溫濕度數(shù)據(jù)傳輸過程對網(wǎng)速的穩(wěn)定性的要求。

3）信號服務質(zhì)量測試

此項目測試主要是對系統(tǒng)適應能力、數(shù)據(jù)的存儲分析能力、錯誤率的檢測，SX1262ZTR4-GC（A）與SX1262 ZTR4-GC（B）組成的無線收發(fā)系統(tǒng)與云服務器之間傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率幾乎為0，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)準確傳輸?shù)哪康摹?/p>

4）時效性測試

無線傳輸系統(tǒng)SX1262 ZTR4-GC（B）通過GPRS發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)到被云平臺接收到需要的時間平均值大約為487 ms，這個時間間隔完全可以達到此次設計所要求的收發(fā)數(shù)據(jù)實時性的要求。

5）功耗性測試

無線傳輸系統(tǒng)SX1262ZTR4-GC 工作在數(shù)據(jù)收發(fā)模式下的最大功率為100 mW 左右，接收端靈敏度為-139 dBm[18]，在睡眠模式下的工作電流為0.5～1.5 μA，滿足低功耗的要求。

4 結(jié)論

該文針對智能防冰雹裝置設計了一款基于STC89C51 單片機與SX1262ZTR4-GC 無線通信模塊的溫濕度測量、數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)果園內(nèi)溫濕度的測量，同時增加了SX1262ZTR4-GC 無線通信模塊，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的遠距離收發(fā)，達到了遠程監(jiān)測的目的，使得智能防冰雹裝置具有多樣化的功能，有利于果園的智能科學化管理。該設計將低功耗、傳輸距離遠、性價比高的LoRa 無線通信技術(shù)與溫濕度測量和云平臺三者有效結(jié)合起來，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集與檢測的目的。通過對整體系統(tǒng)的性能檢測，該系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)其功能，具有較強的實用性。