基于LoRa的城市环境数据监测可视化系统设计

崔建强，张建民，邱明杰，亓晓龙，尹子良，徐 艳

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

当今世界信息爆炸，在各种数据快速、无误差传输的条件下，降低数据信息传输成本尤为重要。检测环境数据的传输依赖网络，因此建造环境检测点需要搭建网络通信系统与之配套。目前，网络通信系统普遍应用的是GPRS技术，应用此项技术的不利因素是随着系统的需求基站数目迅速增加，用户将为数据的传输支付巨额的流量费用。同时，我国现有的基于GPRS的环境检测系统设备耗资巨大、结构透明度差、实时数据传输慢且不便于管理。而远程（long range，LoRa）技术是一种低功耗广域网（LPWAN）通信技术，具有传输距离远、功耗低、节点多、成本低的特性，在国内外应用十分广泛[1-2]。本文借鉴国内外先进技术，采用LoRa技术实现城市环境数据可视化系统的设计。

1 系统总体设计

1.1 结构组成

系统采用STM32F10x系列芯片作为控制处理器，前端采用环境数据检测传感器，利用RS485或RS422总线传输。应用LoRa模块，该模块不同于GPRS需要各种协议，通过LoRa在全球免费频段运行，不需要向运营商支付费用，并且拥有独特的多层数据加密功能，独特的网络密钥（EU164）、应用密钥（EU164）[3]、设备密钥（EUI128），具有超强抗噪声干扰能力，使用高扩频因子可使小数据通过大范围。经无线电发送，扩频因子越高，抗噪声干扰能力越强，实用性越强，只需6个LoRa模块就能覆盖10 km*10 km的场地，并能保证其最佳工作性能。对于基站的建设，系统使用本项目组自主研发的串口（RS485或RS422）扩展技术，实现批量无线数据的传输及以低成本创造高效益的目标。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.2 LoRa社区监控平台方案设计

将LoRa通信功能的传感器安置于每位用户监测区域的关键位置，以检测当前用户家庭室内或室外的空气质量、温湿度、CO2含量等各项环境指标，将经处理器处理后的数据发送到接收端。用户也可自主设定上限参数，系统将对其作出相应的提示。数据传输的稳定性依赖于LoRa出色的信号传输能力和强大的抗干扰设计，通过LoRa通信模块与各个模块相连接，构成了与远程接收端的桥梁[4]。远程接收端将数据进行处理后再通过UART协议发送到PC上位机端。监控平台整体结构如图2所示。

图2 监控平台整体结构

2 LoRa技术

LoRa技术是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，也是诸多LPWAN通信技术中的一种，该技术能为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。目前，LoRa主要在ISM频段运行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等频段[5]。LoRa 融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术。LoRa网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、服务器和云4部分组成，应用数据能够双向传输。以SX1278无线传输模块为例，其穿透能力强，功耗小，传输距离远，最大传输距离达11 km。LoRa模块已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能建筑、智能电网、智能交通、无线自动化数据采集、石化等领域。

LoRa的优势在于技术方面的长距离传输能力。单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平方公里范围。在一个给定的位置，传输距离在很大程度上取决于环境或障碍物，但LoRaR和LoRaWAN链路预算优于其他任何标准化的通信技术。链路预算通常以dB为单位，是在给定的环境中决定距离的主要因素。通过小量基础设施建设，便可以覆盖到整个国家[6]。

3 系统硬件设计

3.1 LoRa无线电台传输模块设计

采用SX1278无线通信模块，SX1278是半双工传输的低中频收发器，接收的射频信号首先经过低噪声放大器（LNA），LNA为单端输入；采用差分信号以改善二级谐波；中频（IF）输出同相正交信号（I&Q）[7]；ADC进行数据转换，所有信号处理解调均在数字领域进行，数字状态机控制自动频率校正（AFC）、接收信号强度[8]。SX1278包含2个定时基准、一个RC振荡器以及一个32M晶振。射频前端和数字状态机所有重要参数均可通过一个SPI接口进行配置，通过SPI可以访问SX1278的配置寄存器。SX1278无线模块具有+14 dBm的高效功率放大器、达300 kbps的可编程比特率以及高灵敏度（低至-148 dBm）等诸多优点。

LoRa为一种无线调制的方式，对比传统调制技术，其在抑制同频干扰方面优势明显，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离远、抗干扰和功耗低的不足。另外，LoRa模块集成了+20 dBm的可调功率放大器，并获得超过-148 dBm的接收灵敏度，适用于远距离传输且对可靠性要求高的场合，如可以进行广播性透明传输，发送任意一个地址相同、信道相同、空速相同的模块，其余的都可以实现接收、广泛监听和定点发射功能。模块同时具有RS232和RS458两种通信接口。电路板采用PCB4层板布线，具有独立的、完整的GND；模块设有4种切换模式，即一般模式、唤醒模式、省电模式和休眠模式，适用于各种场合。ZM470SX节点系统如图3所示。

图3 ZM470SX节点系统

3.2 环境监测模块设计

环境监测模块设计可以完成实时检测周围的温湿度[9]、PM2.5、降雨量、空气质量、大气压以及震动强度等多种数据信息，按照设定值进行比较并预警，当相应数据过高时发出报警。环境检测模块结构如图4所示。

图4 环境检测模块结构图

（1）PM2.5检测 PM2.5检测使用DSL-03激光数字式PM2.5传感器，内置激光器和光电接收组件，运用光的散射原理，激光在颗粒物上产生散射光，由光电接收器件转变为电信号，再通过特定算法计算出PM2.5质量浓度、PM10质量浓度、PM0.3～PM2.5粒子个数、PM2.5～PM10粒子个数。通过检测可判断该区域是否适合出行活动以及发出相应预警。该传感器具有体积小巧、安装方便、检测速度快、检测数值稳定准确、抗干扰能力强等优点。

（2）有害气体检测 空气中的有害气体量过高，对环境和人体健康均有不良影响，故使用MQ135传感器对有害气体进行检测。MQ135传感器对硫化物、氨气、苯系蒸汽的检测灵敏度较高，可检测多种有害气体。

（3）CO2检测 CO2浓度过高会引发温室效应、冰川融化等灾害，所以需对CO2进行实时监测。本设计为电化学CO2传感器，适用于CO2的定性测量。模块自带信号放大电路，进一步提高了检测的灵敏度。

（4）其他检测 系统还可对温湿度、大气压、降雨量以及土壤湿度等进行分析监测。

3.3 RFID射频卡识别与触摸屏显示模块设计

系统采用射频卡人员识别系统，只需在身份识别后方可进行操作[10]，避免了非工作人员的误操作。触摸屏可显示识别人员身份，识别失败多次将自动启动蜂鸣报警装置。身份验证成功即可进入选择输入监测节点界面，进行选择监测显示。

3.4 单端GPS定位与液晶显示模块设计

液晶显示模块的设计主要是为了方便工作人员在各节点直观地观察监测数据，同时也便于大众了解该区域的环境数据。GPS系统的设计方便了工作人员直接读取某一地点的数据，有效减轻了工作人员的工作量。

3.5 太阳能充电模块设计

在使用过程中节点系统会消耗较大的能量，为了能长期使用，采取太阳电池板。太阳电池板是一种对光有响应并能将光能转换为电能的器件，具有自动存储功能，既省电又环保。

3.6 处理器的选择

处理器选用STM32F10X型号的单片机，该单片机是意法半导体公司为嵌入式系统专门开发设计的一款超低功耗、低价格、超高性能的处理器。STM32系列中STM32F103为32位处理器，相比16位和8位单片机，有显著的运算优势和寄存器配置，易兼容、易购买，整体的开发成本也能大幅度降低。

4 系统软件设计

软件部分主要完成数据的处理与传输，通过服务器将采集到的数据传输到网上。

4.1 环境可视化设计

可视化结构由计算器服务器、文件服务器及登录节点构成。直观数据有CO2浓度、土壤湿度、空气温湿度、大气压值以及降雨量等。系统所覆盖的区域为整个学校（宿舍楼、食堂、人工湖、教室、操场）的公共场所。

4.1.1 整体设计

（1）传感器的数据采集，按键的判断，声光提醒；

（2）数据在液晶显示屏上的显示，对特殊字符的编写；

（3）LoRa模块数据的读取与发送，将打包数据发送到PC机[11]；

（4）上位机数据的接收及处理，并显示在对话框中；

（5）设置系统优先级，危险情况下能第一时间响应。

4.1.2 PC上位机

可视化系统平台上位机显示采用Processing软件编写。Processing是一种具有革命前瞻性的新兴计算机语言，其概念是在电子艺术的环境下介绍程序语言，并将电子艺术的概念介绍给程序设计师。它是Java语言的一种延伸，支持许多现有Java语言架构，在语法上更加简易。

系统上位机可以单节点数据显示，也可全局节点环境数据监测；可完全数据化显示，也可转化为直方图直观查看，通过不同颜色显示出环境各项数据的浓度。软件系统流程如图5所示。

图5 软件系统流程

4.1.3 上位机监控图像的显示

环境检测模块采集的数据经处理后传送到主端，再由Processing编写的上位机系统在PC机上显示。系统节点环境数据监测显示如图6所示。

图6 系统节点环境数据监测显示

4.2 编程设计

Keil uVision5 MDK软件主要分为2大类：一类针对C51的编程环境；一类针对于MDK的编程环境。2类软件在工作窗口布局的设计上几乎相同。系统设计采用Keil 5 MDK的编程环境，除保留了之前的一些配置外，对软件整体进一步优化，STM32作为一款ARM内核单片机，在此编程环境下有利于系统的开发，为整个设计提供了极大的便捷，软件内置强大的仿真功能以及多种烧录方式。

5 测试及分析

5.1 测试数据

（1）对PM2.5检测传感器进行调试，对其实际响应声光提示进行记录，烟雾采集数据、声光提示记录如表1所示。

表1 烟雾采集数据、声光提示记录

（2）对LoRa模块传输距离进行记录，分析其系统数据传输的稳定性。传输距离、传输状态测试结果如表2所示。

表2 传输距离、传输状态测试结果

（3）对于PC端上位机，实时切换用户的数据显示以及超出设定值的数据，提示窗口功能测试表，通过对系统的多次测量，提高整体的稳定性。上位机显示、窗口提示测试结果如表3所示。

表3 上位机显示、窗口提示测试结果

5.2 测试结论

（1）当按键选择菜单进入不同的监测环境时，显示界面能第一时间显示当前测量数据。

（2）当外界情况发生变化时能快速地保存数据，发送到接收端进行打包，发送数据到上位机显示。

（3）当PM2.5浓度到达30%时，灯光提醒；PM2.5质量分数大于50%时，当前数据会被提升到最高优先级，对系统发出请求，声光报警。

（4）LoRa无线数据传输模块在传输距离大于3 km时，数据易丢失，因此小于3km为可靠传输距离。

（5）PC端切换用户，能实时显示所选择的相应用户的数据，危险气体超标时，窗口做出提示。

6 结语

本文设计了一种基于LoRa的城市环境数据监测可视化系统，该系统克服了我国现有的基于GPRS的环境检测系统数据传输设备耗资大、结构透明度差、实时数据传输慢，不便于管理等缺点，通过无线网络实现了城市环境数据的可视化。项目组研发的串口（RS485或RS422）扩展技术具有独特的创新。LoRa技术与网关之间的通信，使得工作人员无需到检测现场便可以了解当地数据，而且可实现多机通讯，随时了解环境变化情况，极大地提高了办公和通信效率。本系统设计功耗低、范围广、传输透明、检测数据广，可用于道路、矿场、大棚等中大型企业。系统可扩展为对基站的搭建，实现更广范围、更远距离的监测，大幅度地节省了开支。该设计具有广泛的应用前景。