程廷果+許維東

摘 要：受施工現(xiàn)場(chǎng)條件限制，常規(guī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多存在功耗高、傳輸距離短、信號(hào)穿透性差、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于LoRa（long range）技術(shù)的節(jié)點(diǎn)，給出了節(jié)點(diǎn)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。硬件包括SX1278、ds18b20單總線接口、msp430f149、w25q32和ds1302。軟件包括底層驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)框架和任務(wù)處理程序。將節(jié)點(diǎn)搭建為星型網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明該節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定可靠，功耗較低，能滿足大體積混凝土的測(cè)溫要求。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù)；msp430f149；星型網(wǎng)；大體積混凝土測(cè)溫

DOIDOI：10.11907/rjdk.171290

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0111-03

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，大體積混凝土越來(lái)越普遍，由此帶來(lái)的溫度引發(fā)裂縫問(wèn)題受到工程界廣泛關(guān)注[1-2]。為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50496-2009規(guī)定大體積混凝土要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和試驗(yàn)[3]。

目前，在我國(guó)建筑施工行業(yè)中，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）進(jìn)行結(jié)構(gòu)物和施工環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)已成為常態(tài)[4]。工程中常見(jiàn)的大體積混凝土溫度監(jiān)控周期一般為數(shù)月，監(jiān)控測(cè)點(diǎn)相距往往數(shù)百米，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)常存在臨時(shí)障礙物等，導(dǎo)致包括ZigBee、433MHz在內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)法得到有效應(yīng)用。

2013年8月，美國(guó)加利福利亞州的Semtech公司推出了一系列基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的LoRa（long range）芯片[5]，該芯片在FSK調(diào)制方式下保持低功耗性能的同時(shí)，明顯增加了通信距離，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。LoRa作為一種調(diào)制技術(shù)，是線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，與同類技術(shù)相比，可提供更長(zhǎng)的通信距離，并具有前向糾錯(cuò)（FEC）功能； LoRa在接收靈敏度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，其接收靈敏度高達(dá)-148dBm。因此，本文將LoRa技術(shù)引入大體積混凝土測(cè)溫領(lǐng)域。

1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了獲取大體積混凝土內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線射頻發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的以MCU為中心的采集節(jié)點(diǎn)。MCU采用msp430f149，外圍芯片采用SX1278、w25q32、ds1302，分別實(shí)現(xiàn)射頻、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，Px（1，2，3，4）用于連接ds18b20總線。

使用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)MCU軟件系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)分為元件驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)幀封裝器、任務(wù)管理器和任務(wù)處理程序，如圖2所示。

1.1 硬件系統(tǒng)

傳感器：為了穩(wěn)定可靠，采用工程現(xiàn)場(chǎng)常用的ds18b20傳感器。該傳感器可多個(gè)搭接在單總線上，非常適合多點(diǎn)測(cè)溫[6]，元件參數(shù)見(jiàn)表1。

微控制器：msp430f149是業(yè)界標(biāo)桿TI公司的一款低電壓低功耗芯片，帶有12位ADC，是帶硬件乘法器的16bitMCU，在standby和off模式下電流低至1.6μA和0.1μA[7]，元件參數(shù)見(jiàn)表2。

無(wú)線射頻芯片：SX1278是市面上最常用的Lora芯片，其無(wú)線電頻段屬于ISM開(kāi)放頻段，無(wú)需授權(quán)許可?？紤]到射頻PCB的設(shè)計(jì)，最后選用以SX1278為核心的Lora模塊。

SX1278具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力，127dBm的動(dòng)態(tài)RSSI，最大20dBm發(fā)送功率，多種調(diào)制方式可選以及載波監(jiān)聽(tīng)等功能，使用非常方便，安全性好[8]。元件參數(shù)見(jiàn)表3。

1.2 軟件系統(tǒng)

1.2.1 元件驅(qū)動(dòng)程序

元件驅(qū)動(dòng)程序是對(duì)應(yīng)元件的功能函數(shù)集合，由于函數(shù)較多，這里只介紹主要函數(shù)。

（1）ds18b20：

STATUS SearchROM（char（*ROM）[8]，

uchar ROMsize，char*numsofsensor）

SearchROM函數(shù)用于搜集各個(gè)端口單總線上所有傳感器的ID并返回各個(gè)端口傳感器數(shù)量和函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)。

SearchROM函數(shù)主要用到搜索二叉樹(shù)算法[9]。

STATUS GetRegister（char*rambuf，

char*singleROM）

GetRegister函數(shù)用于將單個(gè)傳感器寄存器中的數(shù)據(jù)復(fù)制到ram，以便計(jì)算溫度和CRC校驗(yàn)[10]。

（2）ds1302：

STATUS GetTime（char*time，

uchar timesize）

STATUS ModifyTime（char *time，

uchar timesiz）

GetTime、Modifyime分別用于讀取和修改實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

（3）w25q32：

STATUS WriteData（char*address，

char*ram，uchar size）

STATUS ReadData（char*address，

char*ram，uchar size）

WriteData、ReadData分別用于向flash芯片中寫(xiě)和讀指定地址和大小的數(shù)據(jù)。

（4）Lora：

void LoraSendBytes（char *rfsendbuf，

uchar size）；

LoraSendBytes用于Lora發(fā)送多個(gè)字節(jié)，Lora接收函數(shù)在interrupt實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 數(shù)據(jù)幀封裝器

為了使多個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠共同協(xié)調(diào)工作，將多個(gè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為星型結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。為使節(jié)點(diǎn)具有自己的地址，在鏈路上互不干擾，需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的鏈路協(xié)議，所有采集節(jié)點(diǎn)將各自的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到指定地址的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)幀封裝器用于實(shí)現(xiàn)這一功能。endprint

數(shù)據(jù)幀有以下幾種：

（1）上/下行數(shù)據(jù)幀。用于節(jié)點(diǎn)上傳收集的數(shù)據(jù)或網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)工作模式，見(jiàn)表4。

（2）上/下行確認(rèn)幀。用于網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)互相確認(rèn)對(duì)方是否成功收到數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

（3）上行心跳幀。心跳幀有兩個(gè)作用，用于網(wǎng)關(guān)判斷節(jié)點(diǎn)是否連接網(wǎng)絡(luò)與上傳節(jié)點(diǎn)電壓，見(jiàn)表6。

1.2.3 任務(wù)管理器與任務(wù)程序

任務(wù)程序是節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的中心部件，負(fù)責(zé)處理所有事件，包括采集上傳任務(wù)、設(shè)置參數(shù)任務(wù)、上傳錯(cuò)誤任務(wù)、上傳心跳任務(wù)等。任務(wù)管理器則負(fù)責(zé)檢查事件表，根據(jù)事件將指令碼插入指令隊(duì)列尾并根據(jù)隊(duì)列調(diào)用相應(yīng)的處理程序，任務(wù)管理器事件輪詢功能見(jiàn)圖4。

事件表采用RAM中的數(shù)組實(shí)現(xiàn)，事件表中的位置代表了事件的優(yōu)先級(jí)。為了保持處理事件的順序，指令碼采用隊(duì)列存儲(chǔ)，隊(duì)列使用循環(huán)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，由于運(yùn)行過(guò)程中需要收集發(fā)生的錯(cuò)誤用于分析原因，而對(duì)錯(cuò)誤沒(méi)有順序要求，所以錯(cuò)誤碼采用棧存儲(chǔ)，棧采用數(shù)組棧實(shí)現(xiàn)[11]，如圖5所示。

1.2.4 其它

（1）limit。該文件內(nèi)全部是宏定義，用于限制傳感器數(shù)量、隊(duì)列、棧、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)等在內(nèi)存中的大小，以合理使用內(nèi)存。

（2）globlevariable：全局變量。該文件包含系統(tǒng)所有全局變量，用以確定靜態(tài)內(nèi)存區(qū)大小。

（3）clock：全局時(shí)鐘區(qū)。所有需要用到時(shí)間的服務(wù)都由該文件中的函數(shù)提供。

（4）System：系統(tǒng)初始化。包括CPU時(shí)鐘頻率、定時(shí)器頻率以及和系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)置等。

（5）Interrupt：中斷函數(shù)文件。該文件主要包含LoRa發(fā)送和接收中斷、時(shí)鐘中斷。因?yàn)長(zhǎng)ora模塊休眠后不能接收信號(hào)，所以需要設(shè)置接收時(shí)隙以及無(wú)應(yīng)答重發(fā)機(jī)制。

2 系統(tǒng)測(cè)試

將3個(gè)節(jié)點(diǎn)分開(kāi)放于3個(gè)實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接10個(gè)傳感器，分別相距網(wǎng)關(guān)約1km、500m、800m，將各節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置為間隔10分鐘采集一次數(shù)據(jù)并上傳至網(wǎng)關(guān)。

將網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)處理后通過(guò)串口上傳至PC，可在PC端看到各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6。

3 結(jié)語(yǔ)

節(jié)點(diǎn)模擬工作一段時(shí)間后，經(jīng)過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)很少丟失數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)電壓數(shù)據(jù)的整理發(fā)現(xiàn)功耗較低。在傳輸距離方面，LoRa優(yōu)于同功耗下的2.4GHz與433MHz傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，完全滿足大體積混凝土的測(cè)溫要求。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在世界多地進(jìn)行試點(diǎn)部署，包括中國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、新西蘭 、印度、澳大利亞、韓國(guó)、西班牙[12-15] 等國(guó)。

搭建中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將大體積混凝土測(cè)溫節(jié)點(diǎn)加入loRaWAN網(wǎng)絡(luò)，是行業(yè)發(fā)展方向，會(huì)極大促進(jìn)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展，給建造事業(yè)提供便利，更好地保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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