基于LoRa的远程低功耗水压采集系统的设计

江莺 俞旭 俞铭津 韦杰

摘  要： 针对基于ZigBee等无线通信技术的水压采集系统存在数据传输距离近、抗干扰能力弱、功耗高、环境适应性较差等缺点，文中设计一种基于LoRa的远程低功耗水压采集系统。通过水压变送器信号放大电路设计、变送器标定与调零确保水压采集的准确性;通过无线水压变送器低功耗设计确保电池供电的持久性;通过基于LoRa的通信电路设计确保远程数据传输的可靠性。测试安放在建筑物6楼的计算机接收无线水压变送器发来的数据，结果表明，无线水压变送器安装在通信环境良好的户外，只有不到1%的丢帧率;即使在通信环境比较恶劣的地下室，其丢帧率也不超过1.5%。

关键词： 水压采集; 低功耗; 远程通信; 系统设计; 变送器设计; 实物测试

中图分类号： TN98?34                              文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）08?0105?04

Design on LoRa?based water pressure acquisition system with remote and

low power consumption

JIANG Ying， YU Xu， YU Mingjin， WEI Jie

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract：As the problem of the water pressure acquisition system based on ZigBee and other wireless communication technologies， such as short data transmission distance， weak anti?interference ability， high power consumption and poor environmental adaptability， a LoRa?based water pressure acquisition system with remote and low power consumption is designed. The accuracy of water pressure acquisition is ensured by the design of signal amplification circuit， calibration and zero adjustment of the water pressure transmitter. The durability of battery power supply is ensured by the low power consumption design of wireless water pressure transmitter. The reliability of remote data transmission is ensured by the communication circuit design based on LoRa. The computer installed on the 6th floor of the building receives the data from the wireless water pressure transmitter， and the results show that the frame loss rate is less than 1% when the wireless water pressure transmitter is installed outdoor in a good communication environment. Even in the basement， where the communication environment is harsh， the frame loss rate is less than 1.5%.

Keywords： water pressure acquisition; low power consumption; remote communications; system design; transmitter design; physical test

0  引  言

隨着城市化发展，消防火灾问题日益突出。很多消防设施老旧，尤其是消防供水系统，常常处于故障状态，一旦发生火灾，将无法及时提供充足的消防用水，必将造成巨大的人员伤亡和财产损失。采用人工抄表来采集管网水压的方式已不能满足当今社会的需求。许多新型电子信息技术已经大量运用到消防等远程抄表领域，推动了许多领域的发展，如ZigBee无线传输技术已经在很多行业广泛应用，但是ZigBee在数据传输过程中容易受到地理环境和建筑物的影响，只适合近距离的数据传输;而且ZigBee本身功耗较大，难以应用于对功耗要求较高的场所[1]。由于现场布线不方便，设计一种电池供电的低功耗无线水压采集系统就显得十分必要。LoRa技术是一种扩频通信技术，该技术本身具有传输距离远、功耗低、稳定性高、抗干扰性强等特点[2?4]。基于此，本文拟将SX1278射频芯片的LoRa远程抄表技术运用到水压采集系统中，不仅可以减小地理环境和建筑物对无线通信造成的通信盲区，大大提高系统使用范围和稳定性，而且可以降低无线变送器的功耗。

1  系统的整体设计方案

基于LoRa的远程低功耗水压采集系统由无线水压变送器、中继器、集中器三部分构成[5]，整个系统设计框图如图1所示。为了克服布线带来的不便，无线水压变送器采用电池供电，负责采集水压数据并通过SX1278射频芯片无线发送给中继器。中继器的主要功能是将无线变送器發来的数据转发给集中控制器，一个中继器理论上可以接收无限多个无线水压变送器发来的数据。但是为了避免多个无线变送器同时发送数据造成信道阻塞，在自定义通信协议中规定，一个中继器最多只能接收255个变送器发来的数据。集中器通过SX1278射频芯片接收中继器传来的水压数据并通过4G模块、以太网上传给服务器或者通过RS 232直接上传计算机。为了减小变送器、中继器、集中器三者之间通信同频干扰。无线水压变送器与中继器之间采用433 MHz频率进行通信，中继器与集中器之间采用470 MHz频率进行通信。

每个变送器只可以发送给指定的一个中继器，但是每个中继器可以接收多个变送器的数据，同理每个集中器也可以接收多个中继器传递过来的数据。变送器，中继器、集中器三者之间采用单向网络传输模式。变送器每隔一段时间采集并发送一次水压数据给指定的中继器，其他时间变送器处于休眠状态，以降低功耗。集中器接收到数据后，每隔固定的时间将所有数据发送给服务器或者计算机。集中器在一定的时间内没有收到某个变送器的数据，则判定此变送器发送故障。采用这样的设计可以大大降低无线变送器的功耗和整个网络通信设备之间的数据量。本文重点阐述无线水压变送器的设计。

2  无线水压变送器的设计

无线水压变送器通过传感器获取模拟信号，信号经运算放大器放大后，再经过模/数转换成数字量，最终通过SX1278射频芯片发送出去。其设计量程为0～1.8 MPa。根据不同批次传感器的不同线性特征，需要对其进行标定与调零。整个无线变送器采用电池供电，为了保证变送器能长久工作，需要对其进行低功耗设计。

2.1  无线水压变送器信号放大电路设计

陶瓷压阻压力传感器的内部是一个由4个厚膜电阻连接成的惠斯通电桥。当外部压力作用于膜片时，电阻值发生改变，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性电压信号[6?7]。信号经过运算放大器放大后输入STM8型MCU的ADC引脚。图2为AD623运算放大器电路图。S-，S+为模拟输入端，芯片第6引脚OUTPUT为运算放大器的输出端[8?9]。

2.2  通信电路设计

SX1278射频芯片是LoRa射频部分的核心，也是整个水压采集系统通信的核心，工作频段为137～525 MHz。SX1278射频芯片除了支持LoRaTM的调制方式，还支持FSK，GSK，MSK等多种调制方式。当它工作在LoRa调制模式时，具有-148 dBm的高灵敏度[10]。

2.2.1  SX1278射频芯片基本外围电路设计

SX1278射频芯片基本外围电路设计如图3所示。SX1278的第3，14和24引脚，分别是模拟电路、数字电路和射频电路的电源。三者电压范围同为1.8～3.7 V，可用同一个电源VCC3供电。电容C2，C7，C8，C9为滤波电容，用于减少电源纹波以保证电源的稳定性。SX1278射频芯片通过SPI接口以及DI0～DI5引脚与MCU进行通信，MCU可以控制NRESET引脚复位SX1278芯片。

2.2.2  SX1278射频芯片外围射频电路设计

SX1278射频芯片外围射频电路如图4所示。SX1278射频芯需要通过外围射频电路发射、接收电磁波来传输信号，其由两个发射引脚PA_BOOST，RFO_LF和一个接收引脚RFI_LF组成。PA_BOOST引脚发射功率最高为20 dBm，发射电流为120 mA左右;RFO_LF引脚功率最高为14 dBm，发射电流最低为29 mA。为了保证最长的通信距离和稳定的通信品质，本设计选用高功率发射引脚PA_BOOST作为发射端。使用PE4259射频开关芯片来控制收发，将收发支路分开。在PA_BOOST发射端用电感电容组成匹配电路外加一个滤波器，然后进入射频开关。接收端也是用电感电容组成匹配电路。射频开关后端有一个由L4，C15，C16组成的Π型滤波器，不仅有利于去除发射的谐波，并且能滤除接收时的干扰信号[11?12]。

2.3  无线水压变送器低功耗设计

无线水压变送器每隔一段时间采集并发送一次水压数据，其他时间MCU处于休眠的低功耗模式，MCU进入休眠模式前关断运算放大电路电源VCC2和通信电路电源VCC3，以确保真正的低功耗。

规定的休眠时间到，唤醒MCU，MCU进入工作状态，同时打开相应的电源使系统正常工作，其电源控制电路如图5所示。无线变送器采用4个三极管，组成2组开关电路，分别控制运算放大电路电源VCC2和通信电路电源VCC3的通断。当无线水压变送器需要发送数据时，MCU使POUT1为高电平，NPN型三极管Q3导通，此时PNP型三极管Q1的基极被拉低，Q1导通，运放电路电源VCC2被接通，图2所示的运算放大器处于工作状态，用来放大传感器采集的电信号。反之，MCU使POUT1为低电平时，Q3，Q1被关断，以实现运算放大器电路不工作时关闭其电源VCC2，确保电路低功耗。同理，POUT2为高电平时，通信电路供电电源VCC3接通，通信电路处于数据收发的工作状态。POUT2为低电平时，关闭通信电路供电电源VCC3，确保电路低功耗。

2.4  无线水压变送器标定与调零

模拟信号经MCU的ADC数模转换后的数值保存在MCU的内部A/D寄存器中。为了确定寄存器中A/D值对应的具体水压值，需要进行调零和标定。标定时，将无线变送器与标准水压传感器接在同一根通管上，在0～1.8 MPa内，选取多个水压测量点，记录标准水压传感器水压值P与MCU对应的A/D寄存器中的十进制数值y，采用Origin得到拟合曲线如图6所示，一次拟合函数如下：

式中，p为传感器水压值。该函线性数拟合度为0.999 98，高线性拟合度表示MCU对应的A/D寄存器与水压呈良好的线性关系。

由于传感器制造误差等各种原因，当没有水时，其A/D值并不为零，所以需要对传感器进行调零。本设计中调零采用软件调零的方式，在水压为零的情况下，按下变送器上的按钮，进入调零模式，变送器记录下此时的A/D值作为零点值。

2.5  無线变送器软件设计

无线变送器主程序流程图如图7所示。在主程序中，首先实现串口、SX1278射频芯片等初始化配置，然后判断MCU内部存储单元E2PROM中是否保存过变送器地址、零点A/D值基本信息，如果没有则继续等待，有则读取基本信息。此时进入主程序循环，在主循环中进入休眠，等待规定的休眠时间到，唤醒休眠，唤醒后打开运算放大器和通信电路供电，采集水压数据并发送出去，然后关闭运算和通信电路供电并再次进入休眠，以确保低功耗。

无线变送器MCU采集水压数据，利用SX1278射频芯片将水压数据按自定义的报文格式发送出去，报文格式如表1所示，一条报文由6个字节构成，除起始字节和结束字节，还包括此变送器的地址、中继器的地址、水压数据和数据校验。

3  测试结果

测试阶段，选用4个变送器，2个中继器，1个集中器和1台计算机进行测试。将4个变送器分别设置地址编号为1，2，3，4。将2个中继器编号为1号中继器和2号中继器。1号和2号变送器安装在地下室监测点，无线通信环境较为恶劣。1号中继器安装在地下室入口处，负责转发1号和2号变送器的数据给集中器。3号和4号变送器安装在通信环境良好的户外监测点，距离集中器直线距离约400 m。2号中继器安装在3号、4号变送器和集中器等距离处，负责转发3号和4号变送器的数据给集中器。集中器负责接收1号和2号中继器转发的数据，集中器与计算机均安放在建筑物6楼，集中器通过RS 232直接上传数据给计算机，无线水压变送器的数据最终上传给计算机。为了方便实验，变送器每隔1 min发送一帧数据，统计每个变送器10 h成功上传给计算机的数据帧数，并计算最终的丢帧率，结果见表2。

从表2中可以看出，本设计基于LoRa的数据传输具有较低的丢帧率，在通信环境良好场所，只有不到1%的丢帧率，即使在通信环境比较恶劣的地下室也能保证丢帧率不超过1.5%，能充分满足无线远程水压采集系统对无线通信品质的要求。

4  结  论

本文通过水压变送器信号放大电路设计、变送器标定与调零确保水压采集的准确性;通过无线水压变送器低功耗设计确保电池供电的持久性;通过基于LoRa的通信电路设计确保远程数据传输的可靠性。接收数据的集中器与计算机均安放在建筑物6楼，集中器通过RS 232直接上传数据给计算机，无线水压变送器的数据最终上传给计算机。测试结果如下：无线水压变送器安装在通信环境良好的户外，距离集中器直线距离约400 m处，计算机接收的数据只有不到1%的丢帧率。无线水压变送器安装在通信环境比较恶劣的地下室，计算机接收的数据丢帧率不超过1.5%。

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