基于物联网的温湿度监测器设计

马书轶　陈恒　王兆壮　徐颖

摘 要：在仓库的正常使用过程中，温湿度是一个必不可少的条件。随着物联网技术的发展，作为IoT的重要组成部分，智能仓储管理也会因为物联网基础设施的不断完善而越来越高效。文章设计了一种基于物联网仓储管理系统的温湿度监测节点，通过LoRa无线通信技术传输数据，以实现对温湿度的实时监测。

关键词：物联网;温湿度监测;传感器节点;LoRa网关

0   引言

随着物联网蓬勃发展，仓储管理方式转变，物流更加方便快捷。仓库内的环境直接影响货物能存放的时间和质量[1]，温度和湿度是影响货物质量的直接因素，为了能长时间地存储货物，需要使用监测器对仓库环境进行实时监测。

1  总体方案

本文提出一种监测节点的设计方式;以mcu为核心，将需要实现的功能模块化。考虑到仓库中需要使用的检测器数量众多，环境复杂，给每个监测节点接线供电不现实，因此使用锂电池供电方式。基于物联网的监测节点硬件主要由stm32f103c8t6、HTU21d、M120-l、tps62082dsg组成[2]。总体功能实现框架如图1所示。

1.1  主控模块设计

监测节点所使用到的资源比较少，只需用1个USART接口、1个定时器资源以及1个SPI 接口，不需要使用高容量存储器满足大量程序编写。因此，STM32F103C8T6芯片可以满足本系统的设计要求。本文采用最小系统实现基本的控制功能，包括主控芯片、晶振电路、复位电路以及滤波电路。

1.2  传感器模块设计

由于仓库环境的复杂与多样，需要选用测量范围大，且对工作条件不敏感的温湿度传感器[3]，同时需要大批量监测点，考虑到成本，拟选用数字温湿度传感器HTU21D。该产品精度高，测量范围大（-40 ℃～125 ℃，±0.3 ℃;0～100%RH，±2%RH）。工作时，通过i2c与主控芯片相连，处在待用状态时使用上拉电阻将两线都钳位在高电平。典型电路如图2所示。

1.3  电源模块设计

考虑到实际情况下，库房内环境复杂，不能满足接线的需求。本文未采用充电插座220 V 供电/USB 5 V 供电的方式，而是采用了3.7 V 锂电池供电的方式。本文以锂电池作为电源，由于锂电池长期工作电压会低于3.3 V，而LDO的机理只能实现降压变换，因此选用DC-DC 芯片TPS62082DSG作为电压转换电路的核心，1.2 A的最大输出电流能够满足对一系列外围电路的供电需求。

本文选用了一节型号为103048 的1 500 mAh 锂电池，并对监测节点的功耗进行了预估，综合各个元器件的功耗。随后对其进行了寿命预估，通过计算得到全工作模式下能运行约15 h，休眠待机模式能持续运行约4年的结果，并按2年寿命对其工作周期进行分配，得到工作时间与休眠时间之比约为1∶2 500。电源电路如图3所示。

1.4  LoRa模块设计

无线通信模块采用慧联无限科技公司的一款LoRa模块，M120（L）。M120是慧联无限科技有限公司研制的一款LoRa通信模块。模块集成了LoRaWAN协议栈，并且符合LoRa聯盟发布的LoRaWAN标准（V1.0.2，Class A/C），能够支持不同厂商设备间实现互联互通。在LoRa网络下，M120（L）支持0.018～37.5 kbps的传输速度，低功耗，高灵敏度，抗干扰能力强，覆盖范围广。为缩短开发周期，尽快完成监测节点系统的功能，本文避免了对M120裸片的研发，直接采用了M120（L）成品模块进行设计，单片机可直接通过串口使用AT 指令对其进行控制。通信模块电路如图4所示。

2  数据传输设计

Class A类的LoRa终端功耗最低，能够满足设计节点工作两三年的要求。终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。其他任何时间服务器进行下行传输都得等终端的下一次上行。

基于硬件使用LoRa模块，因此需要使用网关对监测节点进行组网才能连接上运营商，本次选用F8916-L网关，传输层使用tcp，因为监测节点无须不间断工作，只需要每隔一段时间发送一次数据，因此应用层选用mqtt，mqtt是一种轻量级的传输协议，简单易用。服务器使用emqx，系统启动后，程序按照指定时间采集数据存入数据库，定量分析仓库温湿度变化。

考虑到仓库生产需求，为了降低损耗，简化结构，采用星型网络结构。LoRa网关和终端节点使用星型结构。LoRa网络只存在两个方向的通信链路。在网络中，网关作为汇聚节点，接收所有网络流量。

系统的接入容量，即一定时间内网关能够接收多少数据包的能力。从理论上来说，单个网关有8个接收信道，在符合LoRaWAN协议的条件下每天最多能接收1 500个数据包。若某个传感器的发包频率为每小时一份数据包，那么在网络负载率为10%的状态下，单个网关能够接入的传感器数目可达80 000个。当然，这仅仅是理论计算值，网关可接入的终端数量最终还是与终端所配置的发包频率、数据包的大小、通信速率以及现场的无线网络环境等因素相关。

3  结语

本监测器系统以单片机为核心控制，通过模块化设计最终完成各项需求。经过测试，本方案能有效地掌握仓库温湿度变化状态，可以长时间稳定工作。虽然该系统还存在一些不足，所设计的监测节点系统仍需在人机交互、电量检测、设备安全防护等方面进行改进。但主要功能符合要求。物联网是当今的发展热点之一，对环境变化的监测是发展的必然成果。

[参考文献]

[1]靳尧凯，戴贻康，焦运良.基于ZigBee的温湿度监测系统设计[J].网络安全技术与应用，2020（7）：60-62.

[2]邵婷婷，韋强，肖晟涵.一种基于云平台的温湿度监测系统设计[J].电子设计工程，2020（6）：92-96.

[3]徐仲，孙先松.基于NB-IoT的环境温湿度监测系统设计[J].物联网技术，2020（2）：20-22.

（编辑 王永超）

Design of temperature and humidity monitor based on Internet of things

Ma Shuyi， Chen Heng， Wang Zhaozhuang， Xu Ying

（Xijing University， Xi’an 710123， China）

Abstract：During the normal use of the warehouse， temperature and humidity are an indispensable condition. With the development of the Internet of things technology， as an important part of the IoT， intelligent warehouse management will also become more and more efficient due to the continuous improvement of the Internet of things infrastructure. This paper designs a temperature and humidity monitoring node based on the Internet of things warehouse management system， which transmits data through LoRa wireless communication technology to achieve real-time monitoring of temperature and humidity.

Key words：Internet of things; temperature and humidity monitoring; sensor node; LoRa gateway