基于LoRa技术的大体积混凝土测温物联网系统设计

2018-07-24钱立志

中国建材科技 2018年2期

钱立志韩东田磊

（1 中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙 410000；2 北京诺鑫致远科技有限责任公司，北京 100096）

1 引言

随着物联网技术的逐步发展，越来越多的新技术应用到不同行业和领域当中。在大体积混凝土的施工、养护过程中，传统的测温方式存在的排线复杂、人工读数易产生误差以及无法实时监测混凝土内部温度变化等问题，针对这些问题提出了一套基于 LoRa技术的大体积混凝土测温解决方案。

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa的最大特点就是：传输距离远、工作功耗低、组网节点多。

2 系统设计方案

大体积混凝土测温系统的设计方案框图如图1。

基于LoRa的大体积混凝土测温系统（图1）主要由三部分组成：

第一部分是现场温度采集。主要是由温度采集设备混凝土测温仪NS-WT100来完成，NS-WT100可以通过温度传感器采集8个通道的温度，从而实现测量大体积混凝土的芯内温度、表面温度以及外界温度等。并且NSWT100可以进行LoRa无线数据传输。

图1 基于LoRa的大体积混凝土测温系统设计方案

第二部分是温度数据的传输。测温设备NS-WT100通过LoRa无线传输跟中继设备NS-DTU100进行数据交互。中继设备在收到测温设备发送来的数据后，将数据打包通过RS232发送给PC控制主机，或者通过GRPS网络发送到云平台与其他平台进行数据对接。

第三部分是温度数据的处理。这部分主要是上位机软件来实现，可以进行温度数据的显示、数据库存储、表格打印、历史数据的查询、温度数据曲线。后期整合更多的施工信息，用以实现整个集团现场信息的大数据化。

3 LoRa数据传输

LoRa点对点发送时，A发送B数据：目标地址+目标信道+数据，示意图如图2。

图2 点对点发送

LoRa无线数据传输设计是多个节点的星型结构拓扑网络，如图3所示。

图3 物联网系统网络拓扑

多个测温仪对应LoRa网络中的多个节点，中继设备是LoRa网络中的Gateway。为了使多个节点能够协调工作，并且在链路上互不干扰，我们给每台测温仪设

Gateway，Gateway根据不同的设备地址ID进行数据回复。

GateWay可以连接本地电脑实现本地工作，最主要的功能是可以通过无线网络传输到“云平台”，实现现场数据的实时联网。通过“大数据”研究可以扩展出更多的应用及新产品，极大的减少施工现场的技术性操作，改善施工环境，提高施工质量。

4 硬件设计方案

混凝土测温仪NS-WT100的硬件设计包含，温度传感器（8路），Lora单元，核心控制器，存储单元，LCD显示模组，锂电池管理系统：

MCU：STM32L051C8T6是ST公司新出的ARM Cortex®-M0+内核的低功耗系列产品，该芯片待机模式下功耗最高不大于290nA。

NS-WT100是锂电池供电，器件选型都是低功耗设计。在正常工作时，LCD屏点亮，温度传感器工作，LoRa无线传输，这个工程约20s，平均耗电约20mA。在LCD屏灭，各个模块停止工作进入休眠模式后，平均功耗约2uA。

估算每30分钟工作一次，则每天耗电 ≈

20mA×(20/3600)H×48/天 + 2uA×24H/天 ≈5.4mAH/天

锂电池容量约1000mAH，损耗系数估算0.5，计算工作时间≈

1000 mAH*0.5/(5.4mAH/天 ) ≈ 92 天

温度传感器：TMP468是TI公司出品的一款使用双线制SMBus或I2C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外，还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。TMP468 器件可提供高测量精度和测量分辨率 (0.0625℃)。该器件还支持低电压轨（1.7V至3.6V）和通用双线制接口，采用高空间利用率的小型封装（3mm×3mm或1.6mm × 1.6mm），可在计算系统中轻松集成。远程结支持–55℃至+150℃的温度范围。

LoRa无线传输：采用的无线射频芯片SX1278，采用LoRa远程调制解调器，用于长距离扩频通信，抗干扰性强，功耗低。频率范围：137-525，MHZ，扩频因子：6-12，带宽：7.8～500KHZ，预估灵敏度：-111-148dBm，工作电压：1.8-3.7V，温度：-40℃-85℃。