基于LoRa的有害气体无线监测设计与实现

2021-07-01王靖懿崔国强韩东奇王英泽

物联网技术 2021年6期

王靖懿，崔国强，韩东奇，李响，王英泽

（北方工业大学信息学院，北京 100144）

0 引言

近年来，人们生活水平日益提高，人身保护和财产保护成为人们主要的关注点。在多种自然灾害中，火灾对于群众的人身安全、财产安全最具杀伤力。火灾发生的过程中会产生许多有害气体，这些有害气体在空气中的含量超出一定的标准时就会对人体健康造成伤害[1-2]。目前市面上大多为有线携带式气体检测仪，需要亲临现场进行气体检测，无法实现对空气中气体的远程监控。

本系统具有无线气体探测功能和便携等优点，将STM32、EVAL-CN0357气体探测电路以及长距离无线传输技术（Long Range, LoRa）相结合，利用电化学传感器单电源、低噪音、便携等优势，将检测电路检测出的特定气体信息通过无线通信LoRa模块实现远程发送。本系统使用Alphasense公司出品的CO-AX传感器实现CO探测。

1 系统总体设计

系统包括气体传感器、无线发送LoRa模块、前端放大电路、ADC读取数据模块、数据转换模块、MCU和LCD显示屏。使用CO-AX传感器测量CO气体浓度，此传感器最大响应为100 nA/ppm，最大输入为2 000 ppm。所用AD7790芯片为16位，具有精度高、单电源、噪声小等优点。将CO-AX传感器与MCU连接，可将CO浓度数据显示在LCD显示屏上，并通过LoRa模块发送到上机位。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括CN0357气体探测电路、CO传感器模块、无线通信模块。利用电化学传感器对输出高低电平和0X38波形进行采集，通过电压转换公式得到数据后由SPI通道回传，并在LCD屏上显示，最终通过LoRa模块传输至数据管理端。

2.1 硬件结构

系统的电化学气体传感测量电路检测空气中的CO浓度，然后经电平转换芯片将信息传回AD7790芯片，STM32F103X通过SPI接收后将数据显示到LCD屏上，最后通过无线通信模块将数据传至PC端[3]。系统硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构

2.2 系统电路

2.2.1 电化学传感器测量电路

在电化学传感器测量电路中，通过CO-AX检测头检测对应气体的浓度，通过1管脚和2管脚传送电流信号，其中1管脚由CE流向ADA4528，2管脚流入WE，回传到ADA4528的3管脚后再传到放大器和AD7790，最后通过CO浓度与电压转换公式得到数据。电化学传感器测量电路如图2所示。

图2 电化学传感器测量电路

跨阻放大器计算公式：

CO浓度与电压关系公式：

2.2.2 AD7790及应用

AD7790是一款适合低频测量的低功耗、完整模拟前端[4-5]，内置一个低噪声16位Σ-Δ型ADC，一路差分输入可配置为缓冲或无缓冲模式，此外还有一个增益可设置为1、2、4或8的数字PGA。从放大器ADA4528传入的电压信号通过3管脚进入AD7790。采集数据并处理后，信号由9管脚输出。AD7790驱动电路如图3 所示。

图3 AD7790驱动电路

2.2.3 LCD电路

LCD显示屏通过在.C文件中引用声明函数显示所需的字、字符以及字符串，主要运用CS、CLK、MOSI和MISO通过调节时序实现[6]，LCD电路如图4所示。

图4 LCD电路

2.2.4 有源蜂鸣器

蜂鸣器是电子信息传递装置，采用3.3 V直流电压供电。电磁式有源蜂鸣器自带振荡电路，初始化后，拉低管脚的电平，蜂鸣器发出声响，反之蜂鸣器无反应。STM32蜂鸣器电路如图5所示。

图5 STM32蜂鸣器电路

2.3 无线通信LoRa模块SX1278

本设计使用Semetch公司出品的SX1278作为无线通信的载体，选用点对点透传模式。LoRa工作于半双工模式，单片机端为发送端，PC端为接收端，利用USART发送AT命令进行设置，电脑端可以通过上位机进行设置。LoRa上电默认为透传模式，将单片机端和电脑端的LoRa设置成相同的参数即可实现点对点通信[7]。