基于LoRa的环境质量监测系统_纪华志.pdf

DOI:1019392/jcnki1671-7341202308025基于 Loa 的环境质量监测系统纪华志袁江南兰冠杰厦门理工学院光电与通信工程学院福建厦门361000摘要:环境实时监测具有重要防范意义，但多数却存在着通信距离短、高功耗、成本高的缺陷，基于 ALIENTEK 公司推出的 Loa 无线串口模块，以乐鑫公司的 ESP32 作为核心数据处理芯片，实现了多节点环境监测系统设计。系统将各种传感器所输出的模拟量或数字量采集到 ESP32 中，再经过 Loa 远程无线数据传输至系统接收端，随后将所监测的环境数据通过网络传输至上位机并显示。关键词:Loa;环境监测;ESP32;传感器随着 Loa 网络系统的成功全面部署与使用，德国为其问题找到了可行的解决办法，也极大地推动了该国物联网行业的发展，基于 Loa 技术的物联网的发展，进而带动了世界 Loa 技术的蓬勃发展。近年来，中国在 Loa 网络建设上也取得了阶段性的进步，已经成立了国内 Loa 应用联盟，我国将进一步拓展 Loa 平台的业务发展，这将表明 Loa 网络技术在我国具有更加广泛的应用前景。1 系统设计方案与论证系统总体方案如图 1 所示，图中共有两个数据采集节点可通过 Loa 技术同时向数据接收端发送数据，各类传感器通过 I2C、UAT 等通信方式与节点传输环境数据。数据接收端接收数据包并解析其环境信息，通过 UDP 协议连接同一 Wi-Fi 环境下的 PC 端上位机并发送数据包，再通过 MQTT 协议将数据包上传至云端。系统硬件设计硬件框图如图 2 所示。图 1 系统总体方案框图图 2 硬件框图11 控制模块设计核心控制器是 ESP32-D0WD，该处理器采用两个哈佛结构的 Xtensa LX6 CPU 组成双核处理器。还集成了双极化天线、射频 Balun、高功率放大电路、低噪音放大器、滤波器和电源管理模块。电路原理图如图 3 所示，包括单片机最小系统、复位电路、USB 接口。(a)核心控制器原理图(b)(c)图 3 核心器件原理图12 Loa 模块设计ATK-Loa-01 模组是由 ALIENTEK 出品的一种尺寸小、微电源、低耗电量、效率高的远距离 Loa 无线串行接口模组。模块主要优点是，使用了最新型的 ISM 频段射频SX1278 扩频组件，系统的实际工作频率范围为 410 441Mhz，以每 Mhz 频段为步进信道，共三十二个通道。可47电子信息科技风 2023 年 3 月以使用 AT 指令实时调节串口频率，调整发射功率，高空中速度，操作模式等多个技术参数，同时支持固件更新功能。电路原理图如图 4 所示。图 4 Loa 模块原理图13 传感器模块电路设计温湿度传感器:DHT11 数字温湿度传感器如图 5 是一款带有已校准数字信息输入输出功能的温湿度检测综合感应器。光强度传感器:BH1750FVI，是一个使用两线型串行总线连接器的数字型光力度感应器集成电路，如图 6。图 5 DHT11 模块原理图图 6 BH1750FVI 模块原理图空气质量检测传感器:SGP30 是一款在单一晶片上带有几个感应器部件的新型金属氧化室内废气感应器，如图 7。图 7 SGP30 模块原理图2 系统软件设计21 数据采集发送端软件设计数据采集发送端在系统中有两个，分别命名为节点 A与节点 B，它们的程序运行流程图如图 8 所示。首先对所使用到的外设进行初始化，包括 USAT、I2C 以及各类传感器，随后读取温湿度传感器数据、光照强度传感器值，读取空气质量传感器数据并带入相关算法中计算出气体浓度。数据读取完成后打包成字符数组，并设立协议标明节点号、起始位及终止位，随后发送数据包。22 数据接收端软件设计数据接收端的主要设计任务为:Loa 模块监听节点数据，实时接收节点数据包，转发数据至 PC 端和云端。其程序运行流程图如数据采集发送端流程图图 9 所示。首先对 USAT、Wi-Fi 进行初始化，配置数据心跳包，随后监听串口 Loa 模块数据。当串口接收到数据时，接收完整数据包后判断其节点号，根据其数据更新并上传心跳包并通过 UDP 协议传输数据包至上位机解包分析。图 8 数据采集发送端流程图图 9 数据接收端流程图23 上位机软件设计上位机 GUI 设计如图 10 所示。图 10 上位机 GUI 设计Matlab 上位机可以通过无线 Wi-Fi 将数据接收端接入网络，在同一局域网内，上位机可通过 UDP 协议实时获取环境质量数据。UDP 是在 OSI 参考模式中一个无连接的传输层协定，它在主要应用于不需要按分类次序到达的消息传送中，以分组传送次序的检查和排序为应用级实现，57科技风 2023 年 3 月电子信息提出了面向事务的单纯而不可靠性消息传送业务。UDP协定，基本都是指 IP 协定中与上层协议的连接，DP 报文没有可靠性保护、秩序保证和流量限制字段等，因此安全性不好。不过也由于 UDP 协定的限制选项较小，在数据传输流程中延时小、数据传输工作效率较高。3 系统测试温湿度变化情况如图 11 所示，其中湿度尖峰为向节点传感器呼气产生，而温度变化不大，符合实际情况。图 11 温度变化情况折线图空气质量变化情况如图 12 图 14 所示，正常情况下有害气体含量以及二氧化碳含量稳定保持在正常标准，其中尖峰为向节点传感器呼气产生，由折线图可看出其变化情况显著，能够达到空气质量检测目的。图 12 湿度变化情况折线图图 13 有害气体含量变化折线图图 14 二氧化碳含量变化折线图结语本文结合 Loa 技术，研究并设计了一种基 ATK-Loa模块的实时环境质量检测系统，系统由数据采集节点、数据接收端、上位机三个部分组成，针对环境质量中的多个物理量进行多点实时监测。本设计的环境监测系统，其体积较小，只有 125mm84mm30mm，占用空间极小，便于安放，设备成本低，整套双节点设备成本为两百元以内。采用了基于 Loa 技术的传输方式，将长距离数据传输的低功耗广域网和微控制器技术相结合，有效地解决了数据传输距离的问题。并结合了 MQTT 技术，将所采集的环境质量数据即时发送至云端，使用手机即可订阅和显示，应用起来也更加方便。参考文献:1 肖灿基于环境监测的 Loa 数据传输系统研究 D 长沙理工大学，2020 2 赵章敬大气环境监测的分析与思考J 资源节约与环保，2019(09):76 3 孙继平矿井宽带无线传输技术研究J 工矿自动化，2013，39(02):1-5 4 唐山基于 LoaWan 的广域物联网技术研究及实现 D 电子科技大学，2018 5 赵静，苏光添Loa 无线网络技术分析 J 移动通信，2016(21):50-57 6 生建室内环境监测处理系统的设计与实现D 南京邮电大学，2019 7 秦瀚基于物联网的智能室内环境质量监测系统设计与实现 D 兰州大学，2016 8 王昆仑环境规制对空气质量的改善研究D 天津大学，2018 9 付悦半导体设备技术参考手册汉译英实践报告 D 上海师范大学，2017基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(JAT190677)作者简介:纪华志(1980)，男，汉族，本科，实验师，从事电子与通信技术实践教学与研究。67电子信息科技风 2023 年 3 月