基于LoRa传输的船舶传感器节点温度采集系统研究

摘 要：通过对船舶无线传感网络节点数据，进行船舶无线传感组网设计，提高对船舶运行状态的分析和监测能力，无线传感器网具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点，应用于舰船上，可以减少核动力装置仪表与控制系统电缆布线工作量，布点灵活便捷，节点[2]数多，可有效缩短舰船的维护时间，提升舰船自动化系统信息化水平。无线传感器网络相对于传统的传感器节点有明显的优势，包括信号采集范围广、信号精度高、信号处理能力强等。而节点[3]通过自组织的方式构成具有一定规模的通信网络，在该网络的覆盖范围内。

关键词：船舶;无线传感器网络;LoRa传输;温度采集

1 拟搭建的无线传感器网络系统样机平台

主要由三部分组成：无线传感器（压力和温度），无线网关，无线监控界面。

（1）无线传感器监测压力和温度参数，并通过无线网络将数据通过无线网关转发至主机。设计过程中重点考虑低功耗和时延。（2）无线传感网关转发传感数据。（3）无线监控界面接收无线数据并在主机上显示。

主要性能：

（1）单个传感器节点独立连续工作时间不低于2年。

（2）单个网段内支持传感器数量不低于128个。

（3）网络传输延迟时间不大于500ms。

整个无线传感节点分4块板卡，一是电源板卡，为其他各板卡供电;二是压力传感板卡，包括将压力转换为数字信号的模数转换器件;三是核心处理及温度传感板卡，包括将温度转换为数字量，并带有核心处理器;四是lora通信板卡，负责收发无线数据。

2 硬件电路[4]

（1）溫度变送器板卡。拟选用伊莱科压簧式热电阻热电偶Pt100温控仪探头温度传感器WZPT-01，基于AD7124-8[1]低功耗、低噪声、24位模数转换器（ADC），测量在-50℃至+200℃的测量温度范围内具有±1℃的整体系统精度。系统的典型无噪声码分辨率约为15位。AD7124-8采样的信号以spi接口的形式发送至CPU（选用低功耗的STM32芯片STM32L151C8T6），该CPU还与lora无线模块相连，以发送数据。

（2）压力变送器板卡。拟选用扩散硅形式的压力传感头，电桥输出采用带宽为39.6kHz的共模滤波器（4.02k、1nF）以及带宽为2kHz的差模滤波器（8.04k、10nF）滤波。AD8226是理想的仪表放大器选择，因为它具有低增益误差（0.1%，B级）、低失调（G=50时58uV，B级;G=50时112uV，A级）、出色的增益非线性度（75ppm=0.0075%）以及轨到轨输出特性。

（3）LoRa无线通信电路。选用RHF76-052商品模块，其中的MCU为低功耗STM32L051/052，实现数据采集与LoRa通信功能，见下图。

3 软件方案

整个上位机软件可归纳为，人机界面，常规监控功能（包括温度压力监测、数据管理，网络模块）实时性、可靠性测试相关功能（实时传输速率监测、终端信道与速率设置，终端跳频模拟测试，终端掉线重连模拟测试，终端数据篡改模拟测试，终端速率自适应测试，节点能量监测等）三大块。

可靠性测试相关的模块：①实时传输速率监测：实时检测各个终端的传输速率，确保单舱室在包含128个无线终端的情况下，能在500ms内完成128个无线终端的数据传输。②终端信道与速率设置：使上位机能更方便的管理设置各个无线终端的关键参数。③终端跳频模拟设置：可以使正常通信时使用472MHZ载波频率的无线终端顺利跳转800MHZ的载波频率，可以通过上位机手动设置跳频，也可以根据干扰情况自动跳频。④终端掉线与重连模拟：当无线终端丢包率低于一定限值，将处于掉线状态，经过一段时间能自动重新连接LoRa网络。上位机能通过手动提高丢包率模拟这种情况，验证网络的可靠性。⑤数据篡改功能模拟：该功能是证明无线网络能够检测到IEC61784-3规定的能影响到网络可靠性与安全性的数据报文错误。这些错误包括：包括报文重复、报文丢失、报文插入、报文乱序、报文损坏、报文延时、寻址错误等。

参考文献：

[1]李登.高精度嵌入式电导率仪的研制[J].华南理工大学.

[2]费祥，张梅.基于LoRa的温湿度监测节点设计[J].安徽理工大学.

[3]赵全，徐光，郝龙，韩卫济，马德常.基于LoRa的无线多参数环境监测系统设计[J].北京航天试验技术研究所.

[4]王明超.船舶无线传感网络节点数据的采集方法研究[J].无锡工艺职业技术学院.

作者简介：游鑫（1993-），男，汉族，重庆沙坪坝区人，硕士，研究方向：控制工程。