基于LoRa的远程温度采集系统设计

周夕良

（湖州职业技术学院 物流与信息工程学院，浙江 湖州 313000）

随着大数据、云计算、物联网等技术的迅速发展，通常底层传感器采集的数据都要送入云平台，以便对数据进行充分分析、计算，同时进行远程实时监控。数据的无线传送有蓝牙、ZigBee、WiFi、NB-IoT、LoRa等多种方案可供选择。刘飞飞等［1］设计了一种基于ZigBee的农业生产环境监测系统，实现了对蔬菜大棚内的环境参数的实时监控。朱文博［2］提出了一种基于WiFi的工业生产环境监测系统，实现了对生产车间环境参数的实时监控。茅敏敏等［3］介绍了一种基于NBIoT的环境温湿度监测方法，实现对远程环境参数的实时监控。其中蓝牙、ZigBee和WiFi属短距离无线传输，NB-IoT和LoRa都属于低功耗、长距离无线传输，但LoRa的传输距离更远且组网成本更低。因此，本文选择了基于LoRa的无线传输解决方案。

1 无线温度采集系统组成

系统组成如图1所示，系统包含温度采集节点和LoRa网关两部分，温度采集节点将采集到的温度值无线发送给LoRa网关，数据经LoRa网关打包发送给internet供PC、手机等终端使用，实现对温度的实时监控。

图1 无线温度采集组成图

2 硬件设计方案

2.1 信号采集节点

信号采集节点电路如图2所示，由信号采样、信号处理、AD转换、微控制器、显示电路、射频电路6个模块构成。主控芯片将采集到的温度值经UART串口传输给射频芯片，数据再经射频电路发送给LoRa网关。信号采样由一个恒流源构成，信号处理由一个一阶无源滤波电路和一个二级增益为20的放大器构成，AD模块由精度为16位的ADS8320构成，微处理器采用STM32L151 C8T6，显示模块采用0.96寸OLED显示屏，射频芯片采用SX1262。

图2 温度采集节点电路

图3 是信号采集及调理电路。PT100温度采系统一般有两种设计方案，电桥法和恒流源法。恒流源法的测量精度优于电桥法，因此本系统采用恒流源法。1mA恒流源如图3所示，由集成运放op07（U2）和可调基准稳压芯片TL431（U1）构成，运放U2引入了负反馈，处于线性工作状态，由运放的虚短概念得：u2-=u2+=u PT100-=0V，这样通过调节电位器VR1将UP的电位调到-5.1V，则流过PT100的电流。信号调理电路如图3所示，R3、R4、C1、C2构成一阶无源滤波电路，用于滤除一些高频杂波，紧跟着的是由AD620和OP07构成的两级增益为20的放大器，第一级是差分放大器可通过调节电位器VR2将其增益设置为10，第二级为同相比例运放增益为2。

图3 信号采样及调理电路

2.2 射频电路及LoRa网关

LoRa技术是一种远距离无线通信技术，其特点是：（1）传输距离长：城镇可达2-5 Km，郊区可达15 Km；（2）低功耗：电池使用寿命长达10-20年。LoRaWAN即LoRa广域网，是基于LoRa技术的一种通信协议和系统架构，它主要包括LoRa节点、LoRa网关和LoRa服务器三个层次的通信实体，如图4所示。本系统设计了两个通信实体，温度采集节点和LoRa网关。所使用的射频芯片是SX1262，由于射频芯片无法独立工作需要微控芯片配合使用，因此本系统用了两片STM32L151 C8T6、两片SX1262。STM32L151C8T6系意法半导体公司推出的系列低功耗芯片能降低系统功耗。SX1262是Semtech公司生产的新一代射频芯片，和传统的SX1276相比，具有传输距离更远、速度更快、功耗更低、体积更小；支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥等功能。

图4 LoRa局域网结构

3 软件设计方案

在主控芯片STM32L151C8T6中开定时器Time6的中断，设置500ms定时，在中断回调函数中进行AD采样，在main（）函数中计算电阻及温度值，将经牛顿迭代算法修正后的温度送显示模块和射频电路，射频电路将数据发送给LoRa网关，流程图如图5所示。

图5 温度采集系统流程图

3.1 最小二乘估计法

通过信号采集电路只能求得PT100的实时电阻，然后根据PT100的分度表算出环境温度。通常有查表法和线性插值法两种方法，查表法受限于分度表的分辨率会引入0.5℃的误差，因此本系统采用线性插值法。首先将0-400℃划分成4个区间，然后用最小二乘估计法求解每个区间的最佳拟合直线。例如0-100℃区间，首先实验测得9组数据如表1所示，对应的拟合直线如图6所示。

表1 PT100阻值和温度对应表

图6 拟合直线

这样我们可描绘出9个点，然后得到一条拟合直线，假设拟合直线方程为t=a⋅r+b，根据最小二乘估计算法［4］得如下计算公式：

式（1）中，â、b̂即为a、b的最佳估算值，rˉ、tˉ为PT100阻值和测量温度的统计平均值。这样得到0-400℃，4个区间的4段拟合函数［5］如下：

当0℃≤t≤100℃时t=2.558⋅RPT100-256.02；

当100℃

当200℃

当300℃

3.2 牛顿迭代算法

线性插值法的最佳拟合直线是根据最小二乘估计算法得到的，最小二乘估计算法本质上是选取平均误差最小的那条直线。但PT100的温度阻值特性是非线性的。在温度系数TCR=0.003851时，PT100的温度阻值特性如公式2所示。

式（2）中，rt是t℃时 的电阻 值，r0是0℃时的电阻值即100Ω，A=3.9083×10-3℃-1、B=-5.775×10-7℃-2。对式（2）精确求解需要应用牛顿迭代法又称为牛顿切线法［6］，令f(t)=r0(1+At+Bt2)-rt，f′(t)=r0(A+2Bt)，牛 顿 迭代法得公式（3）

将线性插值法求得的温度作为t0作为初始值代入公式3进行迭代运算求精确值。牛顿迭代法的纠错能力验证，测试代码如下：

float Tem_Corrrect（void） //迭代函数

{

float t1，t0，f，f1，r；

char n=0；

r=123.24； //60℃的电阻值

t1=65； //故意输入5℃误差

do

{t0=t1；

f=100*（1+（0.0039083-0.0000005775*t0）*t0）-r；

f1=100*（0.0039083-2*0.0000005775*t0）；

t1=t0-f/f1；

n++；

}while（n>=2）；

return t1；

}

根据PT100分度表，60℃的电阻值为123.24Ω，代码中输入的温度为65℃经3次迭代运算后得到59.991272℃，误差为0.0087℃，可见牛顿迭代法的纠错能力非常强，经迭代处理后软件算法引起的误差基本可忽略，即系统的测量误差是由硬件电路引起的。

3.3 射频芯片工作模式配置

用主控芯片STM32L151C8T6的两个GPIO口来控制M1M0可设置射频芯片SX1262的4种工作模式，如表2所示。一般模式，M1M0=00，模块处于收发状态；发射：用户可通过串口输入数据，模块启动无线发射；接收：收到无线数据后通过串口TXD引脚输出。无线唤醒模式1，M1M0=01，模块处于无线唤醒模式1状态，可进行数据的无线发送和接收。无线唤醒模式2，M1M0=10，模块处于无线唤醒模式2状态，可进行数据的无线接收，但不能无线发送数据。深度休眠模式，M1M0=11，模块处于休眠状态，不能进行数据收发。

表2 SX1276的四种工作模式

4 实验结果

实验对0-100℃区间进行了测量，结果如表3所示，真实温度是由精密温度计得到的测量值，修正前的温度是用线性插值法得到的测量值，修正后的温度是经牛顿迭代法处理后的温度。经牛顿迭代法修正后，系统误差降到0.1℃以内。

表3 经牛顿迭代法修正前后的温度对照表

5 结语

针对特殊的工业生产环境，现场布线困难，对温度的测量精度要求高量程宽的场合，提出了一种基于LoRa的低功耗、高精度无线温度监测系统。以STM32L151C8T6、SX1262为核心芯片，采样A级PT100温度传感器，运用数字滤波技术，最小二乘算法，牛顿迭代算法对测量温度进行修正将误差控制在0.1℃以内。应用新一代射频芯片SX1262将测量温度发送给LoRa网关，再由LoRa网关将数据送入LoRa局域网，从而实现对生产现场的环境温度实时监控。