基于LoRa的温湿度监测节点设计

费祥 张梅

摘 要：设计一种基于LoRa的温湿度监测节点，该监测节点的控制模块选用MSP430F169单片机，LoRa通信模块选用E32-TTL-100射频芯片，选用HTU21D温湿度传感器采集环境温湿度，并设计报警电路。所设计节点可将采集到的环境温湿度数据通过LoRa网络传输至上位机，实时监测车间环境温湿度，并进行温湿度超标报警。经过实验测试，该设计能满足温湿度数据实时采集的有效性与通信传输的可靠性要求。

关键词：环境温湿度;MSP430F169单片机;E32-TTL-100射频芯片;嵌入式技术;LoRa;异常报警

中图分类号：TP277;TD82文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

物联网技术的发展给人们的生活带来了极大便利，而在环境控制技术中，物联网技术的应用也带来了多种多样的方案。无线传感网络技术在温湿度控制中最早开始运用[1]，ZigBee[2-3]，3G[4]，WiFi[5]，FPGA[6]等技术都已有各种解决方案。LoRa[7-10]作为新兴无线通信技术有着明显优势，并已在许多领域中展开应用。

本文设计了一种车间环境温湿度监测节点，可通过LoRa无线通信技术传输数据实现对车间环境温湿度变化的实时监测，对异常环境状况作出及时应对，为车间生产提供一个安全稳定的环境。

1 监测节点结构设计

监测节点的功能包括监测车间环境温湿度，在温湿度超出预设范围时报警，实时将所采集到的环境温湿度数据通过LoRa网络传输给上位机。监测节点整体结构分为9个部分，即控制芯片MSP430F169、LoRa模块、UART接口、温湿度传感器模块、报警电路、电源模块、时钟电路、复位电路以及JTAG接口。整体结构框图如图1所示。

MSP430F169单片机与时钟电路以及复位电路构成该单片机的最小系统。LoRa模块用于通过LoRa网络发送和接收数据。通过JTAG接口电路，可将程序写入MSP430F169单片机中，用于功能调试与设备维护。温湿度传感器模块负责检测环境中的温湿度信息。报警电路在环境信息超出阈值时，由控制芯片控制报警。UART用于实现与手持设置器之间的通信。电源电路提供所需的工作电压与电流。

2 硬件电路设计

2.1 MSP430F169控制电路

基于监测节点应具有采集并处理环境温湿度模拟量、布置简单、功耗低等要求，选取MSP430F169单片机作为控制芯片。监测节点控制电路由控制芯片MSP430F169单片机、时钟电路、复位电路以及UART接口组成。控制电路原理图如图2所示。

2.2 LoRa通信模块

LoRa（Long-Range）作为低功耗广域网的代表技术之一，是由美国Semtech公司推出，专门面向物联网应用的无线通信技术。LoRa使用非授权频段，可自由搭建不受限制，适用于低成本需求的应用。LoRa与ZigBee，Bluetooth，WiFi以及GPRS等无线网络通信技术相比，具有距离远、功耗低、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。

LoRa通信模块用于实现监测节点与上位机的网络通信，本文设计选取E32-TTL-100型号。LoRa通信模块由STML151G6最小系统、SX1278射频芯片、发射电路、接收电路、射频开关及SMA天线组成，其结构如图3所示。

此LoRa模块具有低功耗特性与休眠功能，即当模块工作于模式3时，无线收发模块关闭，模块工作电流只有2 μA，但仍能接收控制芯片传来的配置数据。发射信号时，发射电流约为110 mA，额定工作电压为2.3～5 V，本文设计拟定工作电压为3.3 V。该模块还具有自动跳转信道与地址功能，不同信道的模块之间可实现相互收发，利用此点可实现更便捷的组网。

LoRa模块的引脚功能：M0和M1用于设置模块工作模式;RXD引脚連接MCU的TXD引脚作串口输入;TXD引脚连接MCU的RXD引脚作串口输出;AUX引脚指示模块工作状态;VCC接电源;GND接地线。LoRa模块接线图如图4所示。

2.3 温湿度传感器模块

由于车间环境的复杂与多样，需选用测量范围大，对工作条件不敏感的温湿度传感器，故选用数字温湿度传感器HTU21D。该传感器温度测量范围为-40～125 ℃，湿度测量范围为0～100 %RH，供电电压范围为1.5～3.6 V，本文设计采用3.3 V电源供电。HTU21D温湿度传感器具有精度高、测量范围大、尺寸小、功耗低、性价比高的特点，不仅输出方式多样，工作电压范围也较宽，适合低功耗、小体积的应用设计。其电路连接图如图5所示。

3 软件设计

监测节点软件设计通过IAR开发环境和Keil开发环境完成，程序利用C语言编写。监测节点正常工作时，先进行初始化，MCU读取温湿度传感器数据，判断是否符合预设范围。若超出范围，则产生环境异常信号，控制报警电路报警，并通过LoRa模块发送至上位机。当检测到异常环境信息时，持续读取传感器数据，反复判断，在环境恢复正常时及时恢复节点工作流程。若数据未超出预设范围，MCU产生环境正常信号，并且检查报警电路是否报警。若处于报警状态则及时关闭，未报警则定期发送环境正常信号，之后延迟一段时间再重新读取温湿度传感器的数据。

4 实验结果

4.1 温湿度采集实验

实验过程选用专业医用温湿度计与本文设计的监测节点对照进行。其中，监测节点采用外部9 V直流电池供电。两组实验同时于实验室环境下进行，时间为2018年4月26日。表1为部分实验数据。

从实验结果可知，监测节点监测的结果与人工监测结果基本一致，本文设计的温湿度采集功能达到了要求。

4.2 LoRa网络传输实验

实验采用CRC16数据检验算法进行验证，统计发送的数据帧，接收端统计成功接收的数据帧，计算丢包率。实验采用点对点通信方式。本文设计采用的LoRa模块发射功率为0.1 W，标称覆盖范围为3 km，实验测量范围约2.7～2.8 km，丢包率不超过4%。考虑到车间环境更为密集与复杂，预计合理工作范围为2～2.5 km。监测节点通信功能符合预期要求。

5 结 语

本文设计了一种以MSP430F169为主控芯片，采用HTU21D数字温湿度传感器，通过LoRa进行数据传输的车间环境温湿度监测节点。通过采用LoRa无线通信技术与新型温湿度传感器，在满足高精度与低功耗特性要求的同时，弥补了传统无线通信技术范围小的缺陷，可适应更复杂广阔的环境，有效提升车间环境控制水平。

参 考 文 献

[1]杨伟，温阳东.低功耗无线温度监测节点设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2011，34（2）：196-200.

[2]雷霖，董华莉.基于ZigBee协议的煤矿瓦斯和温湿度监测节点设计[J].工矿自动化，2011，37（1）：32-34.

[3]周海鸿，周嘉奉.基于ZigBee技术的温湿度监测系统[J].国外电子测量技术，2015，34（7）：75-79.

[4]李钢.基于3G无线通信的远程温湿度监测系统设计[D].西安：西北大学，2015.

[5]吴卓葵，张文峰.基于WiFi的生鲜农产品仓储温湿度监测系统设计[J].测控技术，2015，34（5）：27-30.

[6]王庆春，何晓燕.基于FPGA的温湿度测量系统设计[J].电子测量技术，2016，39（12）：113-117.

[7]赵静，苏光添.LoRa无线网络技術分析[J].移动通信，2016，40（21）：50-57.

[8]赵文妍.LoRa物理层和MAC层技术综述[J].移动通信，2017，41（17）：66-72.

[9]郑浩.LoRa技术在低功耗广域网络中的实现和应用[J].信息通信技术，2017，11（1）：19-26.

[10] ZHU G，LIAO C H，SUZUKI M，et al. Evaluation of lora receiver performance under co-technology interference[C]// 2018 15th IEEE Annual Consumer Communications & Networking Conference （CCNC），Las Vegas，NV，2018：1-7.