基于LoRa的室外环境监测系统设计

崔文岩，康 明，梁书溢，周 德，何小宇，唐德东

（重庆科技学院 电气工程学院，重庆 401331）

0 引 言

随着物联网技术的迅速发展以及我国污染防治工作的重点推进，物联网环境监测系统的需求进一步加大。目前，室外环境监测多为较大范围的局域网（如工业园区、水库），传统的无线通信技术WiFi、ZigBee和Bluetooth均存在传输距离相对较短、易受干扰等问题。LoRa是一种新型低功耗广域网LPWAN技术，具有通信距离远（理论距离最远可达15 km）、组网方便、超低功耗和抗干扰能力强等特点，可以很好地解决上述问题。

本文提出将LoRa低功耗局域网与GPRS远距离广域网相结合的监测方案。环境数据采集节点和网关均采用低功耗STM32F103作为中央处理器，网关与节点在局域网内采用LoRa无线通信，网关使用GPRS实现数据远距离上传功能，云服务器采用中移OneNET平台，并根据需求搭建数据可视化界面，以便管理员日常查看、管理。

1 系统整体方案设计

本环境监测系统由数据采集单元、网关和云平台组成。节点与网关采用TDMA（时分多址）进行星型组网，节点的中央处理器将采集到的不同传感器数据按照Modbus通信协议融合，再利用LoRa无线通信将数据汇集到网关。网关对数据进行解析后，通过GPRS模块将数据上传至OneNET云平台，云平台将数据实时展示和存储，若监测数据达到预警阈值会触发预警信号。系统总体架构如图1所示。

图1 系统整体方案设计

2 系统硬件设计

2.1 数据采集节点硬件设计

本次设计的数据采集节点单元硬件主要由中央处理器、电源、传感器、LoRa模块组成。节点电路结构如图2所示。

图2 数据采集节点硬件结构

中央处理单元采用STM32F103C8T6芯片，该芯片主频72 MHz，外设较多，可以满足传感器数据的采集和LoRa无线通信的基本要求。

电源模块主要实现处理器和传感器外设的供电。由于现场环境复杂，地点不固定，可采用18650锂电池供电，采用4.5 W单晶硅太阳能电池板为锂电池充电。

LoRa无线通信模块采用SXl278芯片：其工作在410～441 MHz频段，拥有一般模式、唤醒模式、省电模式、休眠模式可供选择，采用标准SPI接口与MCU通信，具有抗干扰能力强、功耗低等特点。LoRa模块电路原理如图3所示。MOSI为主机输出从机输入，MISO为主机输入从机输出，SEL为片选，CLK为时钟，D0～D7为数据输出端口。

图3 LoRa模块电路原理

传感器模块主要用于监测空气中的温湿度和二氧化硫含量。其中，温湿度传感器采用奥松公司出品的DHT11，PM传感器采用精讯畅通公司出品的JXM-300-SO2。传感器具体参数见表1所列。

表1 传感器参数

2.2 网关硬件设计

网关是环境采集节点和后台服务器通信的桥梁，其硬件结构如图4所示。网关主要由电源管理单元、中央处理器、LoRa通信模块、GPRS通信模块以及显示模块组成。由于网关无需上传和接收高频次数据，故处理器和LoRa模块采用与节点一致的STMF103芯片、SX1278芯片。

图4 网关硬件结构

GPRS通信模块将网关数据远距离上传。本设计采用果云GA6-B模块，其支持AT指令串口发送，具有GSM预警短信功能和GPRS数据传输功能，体积较小、功耗低、温度范围广、抗干扰能力强，其电路原理如图5所示。

图5 GA6-B电路原理

3 系统软件设计

3.1 数据通信协议设计

在数据采集过程中，节点需连接多种类型的传感器，所采集得到的信息格式不尽相同。为保证数据上传的正确性与快速性，必须采用同一种标准通信协议以适应异构传感器。本设计采用Modbus通信协议RTU模式，与ASCII模式相比，前者在相同的传输速率下可以传输更多数据，具体格式如图6所示。RTU模式共有11位，第1位为起始位，中间为8位数据位，最后两位为校验位和停止位，校验位可以选择奇偶校验或无校验。数据位包含网关地址、从机地址、数据内容和CRC校验位，最多256 B。数据位中CRC校验位的作用是进一步保证数据传输的准确性。

图6 Modbus通信协议结构

3.2 LoRa组网设计

为降低组网和网络控制逻辑的复杂度，LoRa通信网络采用星型组网拓扑结构，节点与网关通信，节点之间不进行数据交互。

由于各节点工作在同一频段，若不进行时隙分配，将可能导致数据交叠。节点组网可通过ALOHA和CSMA/CA竞争机制典型算法或固定时隙分配TDMA算法。但前者随着采集节点的增多，将导致传输延迟增加（多个节点同时占用一个信道）。而后者，网关为每个节点分配一段时间片，在该段时间片内，只允许该节点进行数据上传，从而避免节点之间的数据冲突问题。时隙分配如图7所示。在每节点上传数据后设置一个安全时隙，防止2个节点之间由于时钟漂移导致数据交叠。

图7 时隙分配图

3.3 数据采集节点软件设计

数据采集节点的主要功能是各传感器数据的采集与上传，其工作流程如图8所示。系统初始化后，节点申请加入网关，随后开启定时器进行计时，进入低功耗待机模式，等待设定发送时间的到来。再按照设计的数据帧格式进行封装融合，根据设定的通信频段和信道进行数据上传，之后进入低功耗模式，等待下一次发送时间的到来。

图8 节点采集与发送流程

3.4 网关软件设计

网关主要功能是接收节点数据和打包上传，其工作流程如图9所示。系统初始化后进入低功耗模式，等待节点上传信号触发中断服务函数，解析数据并显示，GPRS模块与云平台建立TCP连接后，按照MQTT协议进行数据上传，发送完成后进入低功耗模式，等待下一轮循环。

图9 网关工作流程

3.5 云平台展示设计

云平台用于实现监测信息的展示和数据存储功能。网关采用更轻量级的MQTT协议将数据上传至OneNET服务器，经服务器进行数据解析校验后，再利用VIEW3.0功能模块，通过拖拉组件的方式实现数据可视化展示界面，以便用户直观观察数据变化情况。

4 系统测试与分析

4.1 节点与网关工作测试

为测试节点传感器数据采集和上传功能，将节点放置于现场环境，实时采集室外温湿度和PM含量，工作测试如图10所示。节点将采集的温湿度和PM数据与实际数据进行对比，均在正常的误差范围之内。此外，网关（图10（a））、节点（图10（b））两者显示温度、湿度、PM数据分别均为26 ℃、58%和85 μg/m，测试结果证明，节点能正常采集数据并上传，网关能准确接收数据。

图10 网关与节点工作图

4.2 节点与网关通信质量测试

为测试LoRa无线通信不同距离下的通信质量，选择较宽阔的场地进行试验。在不同的通信距离下，节点每隔5 s向网关发送一次数据，共计500次。统计网关接收的数据，利用公式（1）计算数据丢包率。测试数据结果见表2所列。

表2 通信测试质量表

式中：代表数据丢包率；代表节点发送数据总个数；代表网关接收数据个数。

试验结果表明：LoRa无线通信在700 m左右时无数据包丢失，在超过900 m时丢包率逐渐增大，特别是1 km以外，数据包丢失较严重，丢包率超6%。为保证高质量通信效果，建议采集节点在900 m以内。

4.3 云平台数据展示测试

为测试云平台实时监测功能，测试过程中以温度实时监测为例。为突出试验效果，设定每隔20 s上传一次数据，温度实时监测如图11所示。观察可得温度在6月8日16：28之前较稳定，在16：29时温度出现上升趋势，在16：30时稳定在31 ℃，说明传感器较灵敏，云平台实时监测性较好。此外，还可以在左上角选择相应的时间查看历史数据，其界面如图12所示。经测试，数据可视化界面可以实时展示温湿度、PM含量变化情况，界面如图13所示。

图11 温度实时监测界面

图12 历史查询界面

图13 上位机监控界面

5 结 语

本文将LoRa和GPRS通信技术相结合，应用于室外环境监测系统中，解决了传统无线通信技术通信距离短、组网难、成本高、功耗大、抗干扰能力差等问题。也进一步介绍了系统架构、硬件设计、软件设计，实现了环境监测数据的远距离上传和云平台展示。试验表明，本系统具有实时性好、覆盖范围广等特点，与传统的无线通信技术相比优势显著，因此，值得推广应用于其他领域。