基于LoRa无线传输的多路热电偶测试系统的设计与实现

2021-09-17吴静霞承浩吴秦宇

沙洲职业工学院学报 2021年2期

吴静霞承浩吴秦宇

（沙洲职业工学院，江苏张家港 215600）

引言

热电偶是工业上使用的一种简单可靠的温度传感器，LoRa技术是LPWAN((Low Power Wide Area Network)低功耗广域网通信技术中一种可以实现超远距离无线传输、低功耗、大容量的无线传输技术。目前多路热电偶数据采集一般为单机系统，无线数据传输大多采用蓝牙技术，传输距离有限。本文从硬件架构设计以及核心模块介绍入手，阐述实现32路K型热电偶温度测量、温度通道切换、串口屏库函数显示等功能的方法，用LoRa技术实现组建无线传感网，实现超远距离传输温度信号。

1 系统总体架构与硬件设计

1.1 系统总体架构

系统硬件总体组成架构框图如图1所示。采用多主机与多从机结构，主机用定时轮询方法采集温度值并通过LoRa发送，从机通过LoRa接收并处理温度数据。主机与从机核心MCU均采用STM32系统，以及人机交互键盘、LED、DWIN迪文串口彩屏等。主机通过通道切换电路轮询采集32路或以上K型热电偶温度。LoRa无线模块实现温度数据打包远距离传输。从机不仅可以作为显示终端，而且能够实现温度报警或提醒。从机可以同时置放在多处地方，均能够实时同步监测温度数据。

图1 系统硬件总体组成架构

1.2 STM32系统

MCU采用电子产品设计与制作核心芯片STM32F103ZET6。该MCU使用32位ARM Cortex-M3内核，LQFP144封装，72MHz工作频率，拥有512k Flash、11个定时器、3个12bitADC、USB、CAN、UART等。对于目前系统该MCU的资源显得冗余，实际项目中可以使用STM32F103RCT6等M0内核且管脚较少的MCU，也可以用MSP430，PIC、HolTek、STC等公司的单片机替代。

最小系统使用8MHz晶振与32.768KHz的RTC晶振、复位电路、BOOT启动电路、JTAG下载接口、键盘与LED、电源转换电路等。[1]

1.3 K型热电偶的温度测量与温度选择通道

K型热电偶是由2种金属材料镍铬与镍硅以及延长补偿导线构成的测温传感器装置[2]，结构简单，具有稳定性和重复性好、抗氧化性能强、价格便宜等优点。

本系统K型热电偶温度测量采用MAXIM公司设计的、带有冷端温度补偿的K型热电偶转换芯片MAX6675，其测温范围为0-1024℃，精度0.25℃，12bit分辨率，SPI接口，内置冷端温度补偿与校正电路，可以有效消弱热电偶导线引入的噪声，内置ADC把热电偶的电动势模拟信号转换为温度数字信号，通过SPI总线与MCU通信，读出温度值。

图2为其中一路热电偶测量采集电路。MAX6675的通信控制线有3根，分别为SO信号线、SCK时钟线、CS片选线。MCU通过控制CS片选线电平来轮询读取32路或以上热电偶信号。

图2 MAX6675测量电路

系统中使用2片74HC154译码器，芯片在PIN18与PIN19门控管脚低电平时有效，PIN20-PIN23为4路输出选择控制引脚，分别连接ABCD 4路信号，电路图如图3所示。

图3 MAX6675片选信号选择电路

电路中把2个门控管脚连接在一起实现“线与”，只要一个控制信号即可控制这2个管脚。MCU使用6个GPIO口分别连接到G0/G1/A/B/C/D信号端，以控制2片74HC154译码器32路信号的输出，达到控制32路热电偶测量芯片的CS管脚电平。逻辑真值表如表1所示。

表1 通道选择控制逻辑真值表

当G0与G1都为高电平时，32路热电偶通道均未选中；当G0=0，G1=1时，CS16-CS31未选中，CS0-CS15通过ABCD信号选择控制信号任意时刻选中其中一路热电偶通道，如ABCD=0111时，选中CS7通道，其他通道类似；当G0=1，G1=0时，CS0-CS15未选中，CS16-CS31通过ABCD信号选择控制信号任意时刻选中其中一路热电偶通道，如ABCD=0111时，选中CS23通道，其他通道类似。系统如果需要扩展通道数，可以继续增加74HC154芯片，每增加一片芯片，可以增加16路通道。

1.4 LoRa模块的选用与配置

传感网中通信技术有Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi等，低功耗广域网（LPWAN）有3G、4G、NB-IOT、LoRa等。由于LoRa技术具有免通信费、长距离、低功耗等特点，在局域组网与数据传输中得到广泛应用。LoRa技术是美国Semtech公司提供的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。[3]这种方案解决了传统无线技术中传输距离远与功耗低之间的矛盾，为用户提供了一种既能实现远距离，又可以实现长电池寿命与大容量的系统的无线传感网络系统。目前LoRa主要运行在包括433、868、915MHz等ISM免费频段上。

本系统无线传输选用正点原子公司的ATK-LORA-01模块。该模块采用SX1278扩频芯片，工作频率为410MHz-441MHz，以1MHz频率为步进间隔分为32个信道，双512环形FIFO，最大发射功率20dBm（约100mW），通信距离达3km，组网最多可配置65536个地址，支持广播和定向传输，使用UART串口与MCU通信，支持从1200-115200共8种波特率。选用模块除电源管脚与串口管脚外，还有2个管脚分别为MDO与AUX，用于配置与指示，如表2所示。

表2 LoRa模块引脚功能

模块共有4种通信模式：模式0为一般模式，即无线透传模式，接收方必须是模式0或1；模式1为唤醒模式，与模式0唯一的区别是数据包发射前，自动增加唤醒码，这样才能唤醒工作在模式2的接收方；模式2为省电模式，串口接收关闭，无线处于空中唤醒模式，收到无线数据后才能打开串口发出数据，发射方必须是模式1，该模式下串口接收关闭，不能无线发射；模式3为信号强度模式，该模式下可以查看通讯双方的信号强度，接收方必须是模式0或1。

MCU或串口工具软件可通过AT指令修改或查询串口波特率、发射功率、空中速率、工作模式等各种参数。如“AT+MODEL”是查询设备型号,“AT+RESET”使得复位模块,“AT+TPOWER=3”设置模块发射功率为3档（20dBm）,“AT+ADDR=12,AB”把模块地址设置为0X12AB,“AT+CWMODE=1”配置模块工作模式为模式1，“AT+WLRATE=24,2”配置通信信号为24以及无线速率为2档2.4kbps。

1.5 人机交互迪文屏与串口通信

工控串口屏目前广泛应用于工业自动化、智能家电等，MCU或串口助手只需要通过串口便可以轻松实现所需要的人机显示界面。本项目使用湖南迪文公司的串口屏DMT48270C043_04WN。该屏为4.3寸65K色TFT显示，分辨率为480×270像素，384Kbytes字库空间，512Kbytes图片与图标存储空间，支持SD卡载入图片与图标库，支持显示二维码。

通信串口数据帧由帧头、指令、数据、帧结束符4部分组成，帧头固定为0XAA，帧结束符固定为0XCC33C33C。不同的功能有不同的指令码，如字符串文本显示指令为0X11，数据格式为（Mode，Color，Bcolor，（x，y），Strings）；变量文本显示的数据格式为（Mode，Color，Bcolor，Num_I，Num_F，（x，y），Datas）；二维码指令为0X21，JPEG图片指令为0X22，图标库指令为0X23。所使用的主要库函数如图4所示。

图4 迪文串口屏库函数

2 软件设计与测试

程序设计的主机部分程序如图5所示，主要任务是初始化硬件，包括时钟、RTC、2个串口、定时器、SPI、按键与LED等的初始化，然后根据按键扫描切换页面与设定值，系统实时显示时钟，定时采集并显示32路热电偶温度，通过LoRa发送该地址主机测量的温度数据。温度采集采用多次采集滤波处理的方法来减小误差。从机打开串口中断接收，收到数据后在屏幕中显示，或做其他报警处理。LoRa模块测试时配置为透明传输，实际组网时配置为模式2之省电模式。