基于LoRa的环境质量监测系统

纪华志 袁江南 兰冠杰

厦门理工学院光电与通信工程学院 福建厦门 361000

随着LoRa网络系统的成功全面部署与使用，德国为其问题找到了可行的解决办法，也极大地推动了该国物联网行业的发展，基于LoRa技术的物联网的发展，进而带动了世界LoRa技术的蓬勃发展。近年来，中国在LoRa网络建设上也取得了阶段性的进步，已经成立了国内LoRa应用联盟，我国将进一步拓展LoRa平台的业务发展，这将表明LoRa网络技术在我国具有更加广泛的应用前景。

1 系统设计方案与论证

系统总体方案如图1所示，图中共有两个数据采集节点可通过LoRa技术同时向数据接收端发送数据，各类传感器通过I2C、UART等通信方式与节点传输环境数据。数据接收端接收数据包并解析其环境信息，通过UDP协议连接同一Wi-Fi环境下的PC端上位机并发送数据包，再通过MQTT协议将数据包上传至云端。系统硬件设计硬件框图如图2所示。

图1 系统总体方案框图

图2 硬件框图

1.1 控制模块设计

核心控制器是ESP32-D0WD，该处理器采用两个哈佛结构的Xtensa LX6 CPU组成双核处理器。还集成了双极化天线、射频Balun、高功率放大电路、低噪音放大器、滤波器和电源管理模块。电路原理图如图3所示，包括单片机最小系统、复位电路、USB接口。

(a)核心控制器原理图

(b)

(c)图3 核心器件原理图

1.2 LoRa模块设计

ATK-LoRa-01模组是由ALIENTEK出品的一种尺寸小、微电源、低耗电量、效率高的远距离LoRa无线串行接口模组。模块主要优点是，使用了最新型的ISM频段射频SX1278扩频组件，系统的实际工作频率范围为410～441Mhz，以每Mhz频段为步进信道，共三十二个通道。可以使用AT指令实时调节串口频率，调整发射功率，高空中速度，操作模式等多个技术参数，同时支持固件更新功能。电路原理图如图4所示。

图4 LoRa模块原理图

1.3 传感器模块电路设计

温湿度传感器：DHT11数字温湿度传感器如图5是一款带有已校准数字信息输入输出功能的温湿度检测综合感应器。光强度传感器：BH1750FVI，是一个使用两线型串行总线连接器的数字型光力度感应器集成电路，如图6。

图5 DHT11模块原理图

空气质量检测传感器：SGP30是一款在单一晶片上带有几个感应器部件的新型金属氧化室内废气感应器，如图7。

图7 SGP30模块原理图

2 系统软件设计

2.1 数据采集发送端软件设计

数据采集发送端在系统中有两个，分别命名为节点A与节点B,它们的程序运行流程图如图8所示。首先对所使用到的外设进行初始化，包括USART、I2C以及各类传感器，随后读取温湿度传感器数据、光照强度传感器值，读取空气质量传感器数据并带入相关算法中计算出气体浓度。数据读取完成后打包成字符数组，并设立协议标明节点号、起始位及终止位，随后发送数据包。

2.2 数据接收端软件设计

数据接收端的主要设计任务为：LoRa模块监听节点数据，实时接收节点数据包，转发数据至PC端和云端。其程序运行流程图如数据采集发送端流程图图9所示。首先对USART、Wi-Fi进行初始化，配置数据心跳包，随后监听串口LoRa模块数据。当串口接收到数据时，接收完整数据包后判断其节点号，根据其数据更新并上传心跳包并通过UDP协议传输数据包至上位机解包分析。

图8 数据采集发送端流程图

图9 数据接收端流程图

2.3 上位机软件设计

上位机GUI设计如图10所示。

图10 上位机GUI设计

Matlab上位机可以通过无线Wi-Fi将数据接收端接入网络，在同一局域网内，上位机可通过UDP协议实时获取环境质量数据。UDP是在OSI参考模式中一个无连接的传输层协定，它在主要应用于不需要按分类次序到达的消息传送中，以分组传送次序的检查和排序为应用级实现，提出了面向事务的单纯而不可靠性消息传送业务。UDP协定，基本都是指IP协定中与上层协议的连接，DP报文没有可靠性保护、秩序保证和流量限制字段等，因此安全性不好。不过也由于UDP协定的限制选项较小，在数据传输流程中延时小、数据传输工作效率较高。

3 系统测试

温湿度变化情况如图11所示，其中湿度尖峰为向节点传感器呼气产生，而温度变化不大，符合实际情况。

图11 温度变化情况折线图

空气质量变化情况如图12～图14所示，正常情况下有害气体含量以及二氧化碳含量稳定保持在正常标准，其中尖峰为向节点传感器呼气产生，由折线图可看出其变化情况显著，能够达到空气质量检测目的。

图12 湿度变化情况折线图

图13 有害气体含量变化折线图

图14 二氧化碳含量变化折线图

结语

本文结合LoRa技术，研究并设计了一种基ATK-LoRa模块的实时环境质量检测系统，系统由数据采集节点、数据接收端、上位机三个部分组成，针对环境质量中的多个物理量进行多点实时监测。本设计的环境监测系统，其体积较小，只有125mm×84mm×30mm，占用空间极小，便于安放，设备成本低，整套双节点设备成本为两百元以内。采用了基于LoRa技术的传输方式，将长距离数据传输的低功耗广域网和微控制器技术相结合，有效地解决了数据传输距离的问题。并结合了MQTT技术，将所采集的环境质量数据即时发送至云端，使用手机即可订阅和显示，应用起来也更加方便。