何誠(chéng)剛

基于LoRa的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何誠(chéng)剛

西安交通大學(xué)城市學(xué)院, 陜西 西安 710018

本文基于ESP8266微處理器、RFM98 LoRa收發(fā)模塊以及物聯(lián)網(wǎng)云提出了一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案借助數(shù)字化、可視化模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以廣泛的應(yīng)用于智慧城市監(jiān)測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

LoRa; 無(wú)線監(jiān)測(cè); 設(shè)計(jì)

隨著LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)的不斷發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)控制、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成為可能。近年來(lái)，以LoRa為代表的低功耗廣域網(wǎng)在交通流量監(jiān)控、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、共享單車等領(lǐng)域得到了快速的應(yīng)用，LoRa是一種采用1 GHz以下非授權(quán)無(wú)線電頻段進(jìn)行低功耗、超長(zhǎng)距離通信的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其接收機(jī)靈敏度高達(dá)-148 dbm，而終端接收機(jī)發(fā)射工作電流為100 mA，接收時(shí)工作電流僅為10 mA左右，長(zhǎng)時(shí)間使用無(wú)需充電，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于每隔幾分鐘發(fā)送和接收少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況。一個(gè)完全符合LoRa WAN標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)關(guān)可以接入5到10 km內(nèi)上萬(wàn)個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢的通訊模式，也能大幅度降低節(jié)點(diǎn)通訊功耗。這些特點(diǎn)也使得LoRa非常適合在城市及農(nóng)村地區(qū)組建智慧城市監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用LoRa等低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)組建智慧城市監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、環(huán)境、交通等各個(gè)方面進(jìn)行遠(yuǎn)程

監(jiān)測(cè)，構(gòu)建從家庭到社區(qū)、再到城市的智慧城市監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

1 系統(tǒng)組成

LoRa采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連接時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)可直接進(jìn)行通信，有效減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，電池使用壽命最高可達(dá)10年以上，并且能夠?qū)?shù)百萬(wàn)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa網(wǎng)關(guān)連接起來(lái)。國(guó)內(nèi)一般使用470 MHz~510 MHz非授權(quán)無(wú)線電頻段進(jìn)行組網(wǎng)，LoRa采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)可采用Okumura-Hata傳播模型進(jìn)行鏈路預(yù)算，求解覆蓋地區(qū)所需要的網(wǎng)關(guān)（基站）數(shù)量，LoRa使用提高終端和網(wǎng)關(guān)的收發(fā)信機(jī)靈敏度的方法來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大范圍、低功耗的覆蓋，單網(wǎng)關(guān)情況下，LoRa的覆蓋距離可達(dá)15 km（郊區(qū)環(huán)境），LoRa可以根據(jù)無(wú)線信道的好壞，選取不同的擴(kuò)頻因子，自適應(yīng)多速率的傳送數(shù)據(jù)，傳輸速率在250 bit/s與300 kbit/s之間可變，基于LoRa的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)符合LoRa網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由可穿戴的LoRa終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及網(wǎng)關(guān)（LoRa基站）、云服務(wù)器和云客戶端組成，終端設(shè)備采集溫濕度、氣壓等各種傳感器信息，并將其轉(zhuǎn)變成符合LoRaWAN協(xié)議的幀格式，經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，也就是完成數(shù)據(jù)從LoRa方式到網(wǎng)絡(luò)方式的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)并不對(duì)數(shù)據(jù)做處理，只是負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)打包封裝，然后再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器完成終端設(shè)備注冊(cè)、用戶管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理分析等工作，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機(jī)以便客戶端能夠方便地遠(yuǎn)程讀取監(jiān)控信息并進(jìn)行分析，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

2 可穿戴終端設(shè)備設(shè)計(jì)

基于LoRa的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可穿戴終端設(shè)備的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可穿戴設(shè)備可以將傳感器監(jiān)測(cè)到的各種信息通過(guò)LoRa WAN協(xié)議發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，可穿戴設(shè)備即可以穿戴在人或移動(dòng)物體上，構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，也可以固定放在某一地點(diǎn)做定點(diǎn)監(jiān)測(cè)?？纱┐髟O(shè)備應(yīng)當(dāng)具有安全、可靠、低功耗、便于穿戴等特點(diǎn)，可穿戴終端設(shè)備的開發(fā)應(yīng)當(dāng)符合LoRa WAN協(xié)議，并能提供良好的用戶體驗(yàn)和高可靠性的數(shù)據(jù)采集和傳輸，圖2是可穿戴終端設(shè)備的電路原理圖，它由ESP8266處理器開發(fā)板、LoRa收發(fā)模塊RFM98以及數(shù)字溫濕度傳感器HDC1000、GY-87傳感器模塊和3.3 V紐扣鋰電池構(gòu)成，這里傳感器的種類還可以根據(jù)監(jiān)控對(duì)象增加。

圖 1 系統(tǒng)組成

圖 2 可穿戴終端設(shè)備電路原理圖

ESP8266是專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的處理器。ESP8266內(nèi)置Tensilica L106，32-bit微處理理?(MCU)，具有超低功耗的16-bit RSIC。CPU時(shí)鐘速度為80 MHz，最?可達(dá)160 MHz。支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，為滿足移動(dòng)設(shè)備和可穿戴性電子產(chǎn)品的功率需求，ESP8266在近距離時(shí)可以通過(guò)軟件編程減少輸出功率來(lái)降低整體功耗，以適應(yīng)不同的應(yīng)用方案。ESP8266開發(fā)板內(nèi)置3.3 V電源，F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器、復(fù)位鍵、電源開關(guān)以及各種接口插座，方便用戶完成設(shè)計(jì)。ESP8266開發(fā)板通過(guò)I2C接口采集數(shù)字傳感器HDC1000和GY-87傳感器模塊的信號(hào)，GY-87傳感器模塊內(nèi)部包含三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器和氣壓計(jì)，用于監(jiān)測(cè)被監(jiān)護(hù)人或者被監(jiān)護(hù)物體的姿態(tài)，防止被監(jiān)護(hù)者或物體跌倒。ESP8266將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口發(fā)送給RFM98 LoRa模塊，由后者經(jīng)無(wú)線信道以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳遞給LoRa網(wǎng)關(guān)，RFM98是深圳華普公司生產(chǎn)的LoRa無(wú)線收發(fā)模塊，其最大鏈路預(yù)算可達(dá)166 dB，接收靈敏度高達(dá)-136 dBm，RFM98采用小型高集成模塊化設(shè)計(jì)，方便植入產(chǎn)品中，RFM98可工作于470 MHz非授權(quán)無(wú)線電頻段，使用時(shí)，需要通過(guò)軟件定義RFM98的工作頻率、擴(kuò)頻因子、帶寬以及報(bào)文格式等參數(shù)，只要兩個(gè)RFM98的工作參數(shù)相同，就可以互相通信，RFM98的工作模式（發(fā)送還是接收）和工作狀態(tài)由ESP8266通過(guò)對(duì)DIO0和DIO1兩個(gè)引腳編程控制，實(shí)際測(cè)試中，采用發(fā)射功率為20 dBm的發(fā)射功率，RFM98在城市中單節(jié)點(diǎn)的覆蓋半徑可以達(dá)到4 km左右，圖3是可穿戴終端設(shè)備的控制軟件流程圖。

圖 3 可穿戴終端設(shè)備控制軟件流程圖

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化操作，主要完成處理器GPIO、ADC、SPI、I2C等接口的初始化配置以及系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷、定時(shí)器等ESP8266片內(nèi)資源的設(shè)置，然后再進(jìn)行傳感器和RFM98模塊的初始參數(shù)設(shè)置，接著進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，可使處理器和無(wú)線收發(fā)模塊工作于待機(jī)模式，節(jié)省電力。

3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器

網(wǎng)關(guān)需要與多個(gè)可穿戴終端設(shè)備互聯(lián)，處理的數(shù)據(jù)量大，此時(shí)選擇樹莓派Ⅲ處理器模塊，樹莓派Ⅲ的SPI接口與LoRa模塊連接，通過(guò)樹莓派Ⅲ的以太網(wǎng)模塊與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器互聯(lián)，將終端設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳遞給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，在樹莓派Ⅲ處理器模塊上同樣需要編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器可以自行搭建，初期實(shí)驗(yàn)時(shí)也可以利用亞馬遜物聯(lián)網(wǎng)云、三星ARTIK物聯(lián)網(wǎng)云等商用物聯(lián)網(wǎng)云的免費(fèi)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖4是利用三星ARTIK云采集到終端設(shè)備HDC1000傳感器和GY-87傳感器數(shù)據(jù)的示例，上半部分柱狀圖表示被監(jiān)測(cè)物體的姿態(tài)（直立還是跌倒），下半部分表示每間隔一定時(shí)間通過(guò)溫濕度傳感器采集到的環(huán)境溫濕度變化情況。

圖 4 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器數(shù)據(jù)采集示例

4 結(jié)論

基于LoRa的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧城市監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，借助數(shù)字化、可視化模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)，借助于物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器可以使更多人分享監(jiān)測(cè)成果，特別在低功耗大范圍互聯(lián)和利用物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析兩個(gè)方面有著鮮明的特色，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design for a Wireless Monitoring System Based on LoRa

HE Cheng-gang

710018,

This paper presented a complete design of the Internet of Things monitoring system based on ESP8266 microprocessor, RFM98 LoRa transceiver module as well as the Internet of Things cloud. In this design, data collection and monitoring were accomplished by virtue of digital and visual models. The experimental results indicated that this design could be applied to a wide range of areas such as urban smart monitoring, wireless data transmission and so on, and thus has a good applied prospect.

LoRa; wireless monitoring; design

TN929.52

A

1000-2324(2018)03-0528-03

2017-02-12

2017-03-02

何誠(chéng)剛(1968-),男,碩士,副教授.主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ碳半娮訙y(cè)量?jī)x器. E-mail:cghe68@126.com