基于Lora无线传输的雾霾源头在线监控装置开发

2020-01-10李可鑫娄伟闽张少迪

科教导刊·电子版 2020年32期

李可鑫于洋娄伟闽张少迪

（天津职业技术师范大学天津 300222）

0 引言

近几年来，雾霾天气频繁出现，严重地影响了人们的身心健康、社会环境以及经济发展，雾霾问题已经逐渐成为社会各界重点关注的重大问题。雾霾天气导致能见度降低，严重的视程障碍威胁着城市道路交通、高速公路、航道的安全以及飞机的起飞、着陆。目前，国家对雾霾的治理非常关注。2012年9月，国务院颁布《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，在京津冀、长三角、珠三角等13个重点区域，投资3500亿元，实施包括雾霾治理在内的重点工程项目。然而全国范围内仅有约1500个大气质量监测点，要实现重点污染源头的覆盖还远远不够，因此国家急需安装方便、结构简单、在线监测的雾霾测量设备。

本项目基于STM32单片机开发一套控制系统，包括终端采集传感器、控制电路及数据远程传输模块。传感器拟采用PM2.5传感器、风速传感器与摄像头，主要实现PM2.5浓度、风速与现场图像的数据获取。控制电路采用 STM32单片机开发，实现系统控制。数据远程模块采用LoRa技术，实现数据上传。

1 系统设计

1.1 系统总体结构

雾霾源头在线监控装置系统总体结构，由上位机控制系统与采集器组成。采集器主要分为三个方面：终端采集传感器、STM32控制电路、数据远程传输电路。

1.2 PM2.5传感器选型

在本文设计中测量的是环境中的 PM2.5浓度和风速。PM2.5浓度主要使用灰尘传感器YW-51GJ，风速主要使用风速风向传感器XFY3-1。

其中灰尘传感器YW-51GJ考虑到它有高灵敏度，响应时间短，体积小，高EMC性能且利用微小颗粒物对光的散射原理，当微小颗粒物经过检测孔时，对光线形成散射。散射光线的一部分通过光轴，经透镜聚集到感光元件，感光元件将光信号转换为电信号输出，最终通过串口输出数字信号。将YW-51GJ的TXD引脚与STM32的串口USART2的RXD引脚连接，实现串口通讯数据传输。

风速风向传感器感应距地面11m处的空气流动，对空气流动速度及方向进行检测及光电转换，并进行数字量化、时间平均、存储等处理。XFY3-1传感器输出信号为直流电压0～5V，将其OUT引脚与STM32的ADC1IN引脚连接，通过AD转换得到风速数据。

1.3 电源电路设计

电源模块中转换电压芯片是 LM1117，这里用到了LM1117-5V和LM1117-3.3V的芯片，外接锂电池电压就可以通过这两个转换电压的芯片得到5V和3.3V，5V电压给ULN2003和74HC4051B等芯片，3.3V电压供给STM32单片机。

1.4 定位及数据存储电路设计

本设计中采用GPS定位模块UBX-M8030，该模块将定位信息通过串口方式输出。存储部分选择 AT24C02芯片，AT24C02是大小为2K的位串行CMOS E2PROM存储器。该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。其对实时得到的定位数据、PM2.5浓度和风速进行暂时存储，以便后期对数据进行无线远传。

1.5 无线通讯电路设计

本设计采用无线串口透传模块E32-TTL100，该模块嵌入了高速低功耗单片机和高性能LoRa扩频芯片SX1278，采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高。发射功率100mW，超低功耗，超强穿透，工作在170MHz频段，LoRa扩频的通信距离能达到3-5km。将透传模块E32-TTL100的RXD与TXD引脚与STM32的USART1串口连接，实现无线通讯功能。

1.6 摄像头电路设计

摄像头选用OV5647模块，拍摄图像500万像素，内置IRCUT，自带红外补光灯，支持红外夜视，可修正红外摄像头白天偏色的问题，成像效果更好。支持调焦，可根据进物体的远近进行调整。使用摄像头对当前环境进行摄像，对PM2.5污染超限时期环境情况拍照采集。OV5647模块支持串行摄像机控制总线协议，将模块SDA与SCL引脚与STM32的I2C接口引脚连接，实现图像数据传输。

2 程序设计

采集器将现场参数通过Lora无线通讯进行远传，在本地PC机端安置Lora网关，通过串口透传将远传数据上传PC机。上位机网关上电后进行Lora组网，当组网成功后，采集器与网关建立连接，网关等待采集器终端数据。收到远传数据后，向采集器发送接收确认报文，并将数据写入本地。考虑到现场采集器采用锂电池供电且更换电池不便，对采集器进行低功耗设计，上电后首先进行系统配置，配置成功后Lora模块上电并尝试连接网关，入网成功后再上报传感器测量数据。等待接收网关确认报文后，再次进入睡眠状态。若组网过程不成功，等待5s后再次组网，3次不成功进入睡眠状态，待睡眠时间到后自动唤醒重发数据。

数据帧采用如下格式编码：参数采集器编号(8位)+时间（年月日各8位，时分秒各8位，共48位）+电池电量（8位）+PM2.5数据（8位）+风速数据（8位）。

本项目采用Labview开发上位机界面，在PC端进行实时数据采集与显示。上位机系统支持用户登录功能，不同用户登录以后，实时数据保存入不同的文件中。STM32通过Lora远程通讯模块，将信息发往PC端的Lora接收器，Lora接收器通过串口与PC机连接，实时传输传感器采集信号。实时数据在Labview界面显示。