LoRa技术在矿井温湿度监控系统中的应用

邓从龙+朱成杰

摘 要：针对目前煤矿井下无线传感器网络传输距离短、功耗大、易受干扰等不足，提出了一种LoRa技术在矿井温湿度监控系统中的应用方案，实现数据远距离传输。详细介绍了主要模块的软硬件以及低功耗设计。该系统具有可靠性强，信号穿透能力强，电池使用寿命长等优点。

关键词：无线传感器网络；LoRa；温湿度；低功耗

0 引言

随着无线通信技术的发展，人们对无线通信技术的要求越来越高。LoRa技术一经面世就以其远距离、低功耗、抗干扰、低成本的特点备受青睐。为了保障煤矿作业的安全生产，对矿井内温湿度环境参数的监测是至关重要的[1]。随着煤矿安全监测水平的提高，当前煤矿安全状况得到了明显的好转[2]。但是目前温湿度环境参数监测系统采用ZigBee无线通信技术来实现，存在一些不足：（1）点到点传输距离短： ZigBee传输距离增加，需要通过多跳形式或者使用功率放大器来减少跳数从而来实现远距离传输，这增加了成本；（2）ZigBee技术使用2.4G免执照频段容易受到其他设备的干扰。

针对目前采用ZigBee无线通信技术监测环境温湿度的不足，本文提出了基于LoRa技术可以实现矿井下远距离實时传输温湿度。

1 温湿度监控系统设计方案

本温湿度监控系统是由从机模块、主机模块、PC监控系统组成。从机模块的温湿度传感器采集到矿井中的温度与湿度通过无线方式把采集到的数据发送到主机模块，最终通过Internet网络传输到PC监控系统，并做相应处理。如果监测到数据超过阈值，节点就会报警，系统结构图如图1。

1.2 节点与主机模块设计

节点主要由STM32F103C8T6单片机、LED、Si7021温湿度传感器、蜂鸣器、OLED、电源模块、无线透传模块SX1276组成[3]。节点的功能主要进行数据的采集，出现异常情况并报警，将采集到的数据转发出去，并在OLED上显示，报警时LED灯闪烁蜂鸣器响。

2 系统的软件设计

系统程序主要分为节点获取取与发送温度程序以及主模块接收程序，最终通过网络传输到PC监控系温度获取通过getTemHum（）函数实现，温度发送通过RFSendData（u8 *buf u8 size）函数实现，，主模块的接收通过RFRevData（u8 *buf）函数实现，还有模块的一些初始化、驱动函数。每次数据发送完成与接收完成都进入相应低功耗模式，节点采集到温湿度超过阈值就会启动报警程序，同时在OLED上显示温湿度。发送与接收流程图如图6所示。

3 低功耗实现

在无线传感器网络中，能量往往是节点的心脏，因此如何在实现数据传输的过程中减少能量的消耗需要解决。低功耗实现主要从硬件与软件两个方面来实现[4]。

（1）硬件方面：电源模块选用低功耗稳压芯片，温湿度传感器选用低功耗Si7021芯片

（2）软件方面：程序运行效率、管脚设置、MCU运行方式以及时钟配置是影响低功耗的主要因素。在无线传感器器网络中，功耗的损失一部分是由于通信中存在干扰导致数据丢失需要重传数据；另一部分是由于多个节点采集到数据向主机发送的过程中可能会产生碰撞导致能量的损耗。分配固定的时隙，有规则的来传输数据可以有效的避免碰撞。.管脚配置主要针对MCU的GPIO配置，把空闲GPIO管脚设置成下拉输入。MCU低功耗运行方式有睡眠、待机、停机模式，其中停机模式功耗最低，任意外部中断都可以将其唤醒，进入停机模式只需要调用PWR_EnterSTOPMode（）库函数即可。时钟配置，把不用的总线时钟关闭进一步降低功耗。

4 结论

文中把LoRa技术应用到矿井温湿度监测系统中，其信号穿透力强，可以实现远距离传输。该技术具有低功耗，电池使用寿命长，功耗低等优点，但是数据速率低。该技术不仅可以应用到煤矿井下，还可以应用到其他领域例如智能家居、农业、工业控制等。通过点到点的数据传输表明了数据传输距离远、信号穿透力强、抗干扰强、数据丢包率低。

参考文献

[1]岳静. ZigBee温湿度数据采集系统研究[J]. 煤炭技术，2011，30（1）：176-178.

[2]唐军胜，陈静，付敬奇，等. 基于异构网络的煤矿安全监测系统的设计[J]. 煤炭技术，2016，35（1）：283-285.

[3]付河，罗婉霞. 基于SX1276的新能源LED路灯无线控制器[J]. 照明工程学报，2015，26（5）：42-47.

[4]苟全登，闫连山.基于ZigBee的低功耗井下人员快速定位系统的研究与设计[J].煤炭技术，2013，32（9）：113-114..

作者简介

邓从龙（1990-），男，汉，皖马鞍山市，安徽理工大学，硕士，嵌入式、图像处理。