崔建強，張建民，邱明杰，亓曉龍，尹子良，徐 艷

（天津職業(yè)技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

當今世界信息爆炸，在各種數(shù)據(jù)快速、無誤差傳輸?shù)臈l件下，降低數(shù)據(jù)信息傳輸成本尤為重要。檢測環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸依賴網(wǎng)絡，因此建造環(huán)境檢測點需要搭建網(wǎng)絡通信系統(tǒng)與之配套。目前，網(wǎng)絡通信系統(tǒng)普遍應用的是GPRS技術，應用此項技術的不利因素是隨著系統(tǒng)的需求基站數(shù)目迅速增加，用戶將為數(shù)據(jù)的傳輸支付巨額的流量費用。同時，我國現(xiàn)有的基于GPRS的環(huán)境檢測系統(tǒng)設備耗資巨大、結構透明度差、實時數(shù)據(jù)傳輸慢且不便于管理。而遠程（long range，LoRa）技術是一種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術，具有傳輸距離遠、功耗低、節(jié)點多、成本低的特性，在國內外應用十分廣泛[1-2]。本文借鑒國內外先進技術，采用LoRa技術實現(xiàn)城市環(huán)境數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的設計。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 結構組成

系統(tǒng)采用STM32F10x系列芯片作為控制處理器，前端采用環(huán)境數(shù)據(jù)檢測傳感器，利用RS485或RS422總線傳輸。應用LoRa模塊，該模塊不同于GPRS需要各種協(xié)議，通過LoRa在全球免費頻段運行，不需要向運營商支付費用，并且擁有獨特的多層數(shù)據(jù)加密功能，獨特的網(wǎng)絡密鑰（EU164）、應用密鑰（EU164）[3]、設備密鑰（EUI128），具有超強抗噪聲干擾能力，使用高擴頻因子可使小數(shù)據(jù)通過大范圍。經無線電發(fā)送，擴頻因子越高，抗噪聲干擾能力越強，實用性越強，只需6個LoRa模塊就能覆蓋10 km*10 km的場地，并能保證其最佳工作性能。對于基站的建設，系統(tǒng)使用本項目組自主研發(fā)的串口（RS485或RS422）擴展技術，實現(xiàn)批量無線數(shù)據(jù)的傳輸及以低成本創(chuàng)造高效益的目標。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

1.2 LoRa社區(qū)監(jiān)控平臺方案設計

將LoRa通信功能的傳感器安置于每位用戶監(jiān)測區(qū)域的關鍵位置，以檢測當前用戶家庭室內或室外的空氣質量、溫濕度、CO2含量等各項環(huán)境指標，將經處理器處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。用戶也可自主設定上限參數(shù)，系統(tǒng)將對其作出相應的提示。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性依賴于LoRa出色的信號傳輸能力和強大的抗干擾設計，通過LoRa通信模塊與各個模塊相連接，構成了與遠程接收端的橋梁[4]。遠程接收端將數(shù)據(jù)進行處理后再通過UART協(xié)議發(fā)送到PC上位機端。監(jiān)控平臺整體結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)控平臺整體結構

2 LoRa技術

LoRa技術是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，也是諸多LPWAN通信技術中的一種，該技術能為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、低功耗無線通信手段。目前，LoRa主要在ISM頻段運行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等頻段[5]。LoRa 融合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術。LoRa網(wǎng)絡主要由終端（內置LoRa模塊）、網(wǎng)關（或稱基站）、服務器和云4部分組成，應用數(shù)據(jù)能夠雙向傳輸。以SX1278無線傳輸模塊為例，其穿透能力強，功耗小，傳輸距離遠，最大傳輸距離達11 km。LoRa模塊已廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)鏈中的M2M行業(yè)，如智能建筑、智能電網(wǎng)、智能交通、無線自動化數(shù)據(jù)采集、石化等領域。

LoRa的優(yōu)勢在于技術方面的長距離傳輸能力。單個網(wǎng)關或基站可以覆蓋整個城市或數(shù)百平方公里范圍。在一個給定的位置，傳輸距離在很大程度上取決于環(huán)境或障礙物，但LoRaR和LoRaWAN鏈路預算優(yōu)于其他任何標準化的通信技術。鏈路預算通常以dB為單位，是在給定的環(huán)境中決定距離的主要因素。通過小量基礎設施建設，便可以覆蓋到整個國家[6]。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 LoRa無線電臺傳輸模塊設計

采用SX1278無線通信模塊，SX1278是半雙工傳輸?shù)牡椭蓄l收發(fā)器，接收的射頻信號首先經過低噪聲放大器（LNA），LNA為單端輸入；采用差分信號以改善二級諧波；中頻（IF）輸出同相正交信號（I&Q）[7]；ADC進行數(shù)據(jù)轉換，所有信號處理解調均在數(shù)字領域進行，數(shù)字狀態(tài)機控制自動頻率校正（AFC）、接收信號強度[8]。SX1278包含2個定時基準、一個RC振蕩器以及一個32M晶振。射頻前端和數(shù)字狀態(tài)機所有重要參數(shù)均可通過一個SPI接口進行配置，通過SPI可以訪問SX1278的配置寄存器。SX1278無線模塊具有+14 dBm的高效功率放大器、達300 kbps的可編程比特率以及高靈敏度（低至-148 dBm）等諸多優(yōu)點。

LoRa為一種無線調制的方式，對比傳統(tǒng)調制技術，其在抑制同頻干擾方面優(yōu)勢明顯，解決了傳統(tǒng)設計方案無法同時兼顧距離遠、抗干擾和功耗低的不足。另外，LoRa模塊集成了+20 dBm的可調功率放大器，并獲得超過-148 dBm的接收靈敏度，適用于遠距離傳輸且對可靠性要求高的場合，如可以進行廣播性透明傳輸，發(fā)送任意一個地址相同、信道相同、空速相同的模塊，其余的都可以實現(xiàn)接收、廣泛監(jiān)聽和定點發(fā)射功能。模塊同時具有RS232和RS458兩種通信接口。電路板采用PCB4層板布線，具有獨立的、完整的GND；模塊設有4種切換模式，即一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，適用于各種場合。ZM470SX節(jié)點系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 ZM470SX節(jié)點系統(tǒng)

3.2 環(huán)境監(jiān)測模塊設計

環(huán)境監(jiān)測模塊設計可以完成實時檢測周圍的溫濕度[9]、PM2.5、降雨量、空氣質量、大氣壓以及震動強度等多種數(shù)據(jù)信息，按照設定值進行比較并預警，當相應數(shù)據(jù)過高時發(fā)出報警。環(huán)境檢測模塊結構如圖4所示。

圖4 環(huán)境檢測模塊結構圖

（1）PM2.5檢測 PM2.5檢測使用DSL-03激光數(shù)字式PM2.5傳感器，內置激光器和光電接收組件，運用光的散射原理，激光在顆粒物上產生散射光，由光電接收器件轉變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^特定算法計算出PM2.5質量濃度、PM10質量濃度、PM0.3～PM2.5粒子個數(shù)、PM2.5～PM10粒子個數(shù)。通過檢測可判斷該區(qū)域是否適合出行活動以及發(fā)出相應預警。該傳感器具有體積小巧、安裝方便、檢測速度快、檢測數(shù)值穩(wěn)定準確、抗干擾能力強等優(yōu)點。

（2）有害氣體檢測 空氣中的有害氣體量過高，對環(huán)境和人體健康均有不良影響，故使用MQ135傳感器對有害氣體進行檢測。MQ135傳感器對硫化物、氨氣、苯系蒸汽的檢測靈敏度較高，可檢測多種有害氣體。

（3）CO2檢測 CO2濃度過高會引發(fā)溫室效應、冰川融化等災害，所以需對CO2進行實時監(jiān)測。本設計為電化學CO2傳感器，適用于CO2的定性測量。模塊自帶信號放大電路，進一步提高了檢測的靈敏度。

（4）其他檢測 系統(tǒng)還可對溫濕度、大氣壓、降雨量以及土壤濕度等進行分析監(jiān)測。

3.3 RFID射頻卡識別與觸摸屏顯示模塊設計

系統(tǒng)采用射頻卡人員識別系統(tǒng)，只需在身份識別后方可進行操作[10]，避免了非工作人員的誤操作。觸摸屏可顯示識別人員身份，識別失敗多次將自動啟動蜂鳴報警裝置。身份驗證成功即可進入選擇輸入監(jiān)測節(jié)點界面，進行選擇監(jiān)測顯示。

3.4 單端GPS定位與液晶顯示模塊設計

液晶顯示模塊的設計主要是為了方便工作人員在各節(jié)點直觀地觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時也便于大眾了解該區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)。GPS系統(tǒng)的設計方便了工作人員直接讀取某一地點的數(shù)據(jù)，有效減輕了工作人員的工作量。

3.5 太陽能充電模塊設計

在使用過程中節(jié)點系統(tǒng)會消耗較大的能量，為了能長期使用，采取太陽電池板。太陽電池板是一種對光有響應并能將光能轉換為電能的器件，具有自動存儲功能，既省電又環(huán)保。

3.6 處理器的選擇

處理器選用STM32F10X型號的單片機，該單片機是意法半導體公司為嵌入式系統(tǒng)專門開發(fā)設計的一款超低功耗、低價格、超高性能的處理器。STM32系列中STM32F103為32位處理器，相比16位和8位單片機，有顯著的運算優(yōu)勢和寄存器配置，易兼容、易購買，整體的開發(fā)成本也能大幅度降低。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的處理與傳輸，通過服務器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)上。

4.1 環(huán)境可視化設計

可視化結構由計算器服務器、文件服務器及登錄節(jié)點構成。直觀數(shù)據(jù)有CO2濃度、土壤濕度、空氣溫濕度、大氣壓值以及降雨量等。系統(tǒng)所覆蓋的區(qū)域為整個學校（宿舍樓、食堂、人工湖、教室、操場）的公共場所。

4.1.1 整體設計

（1）傳感器的數(shù)據(jù)采集，按鍵的判斷，聲光提醒；

（2）數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上的顯示，對特殊字符的編寫；

（3）LoRa模塊數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送，將打包數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機[11]；

（4）上位機數(shù)據(jù)的接收及處理，并顯示在對話框中；

（5）設置系統(tǒng)優(yōu)先級，危險情況下能第一時間響應。

4.1.2 PC上位機

可視化系統(tǒng)平臺上位機顯示采用Processing軟件編寫。Processing是一種具有革命前瞻性的新興計算機語言，其概念是在電子藝術的環(huán)境下介紹程序語言，并將電子藝術的概念介紹給程序設計師。它是Java語言的一種延伸，支持許多現(xiàn)有Java語言架構，在語法上更加簡易。

系統(tǒng)上位機可以單節(jié)點數(shù)據(jù)顯示，也可全局節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測；可完全數(shù)據(jù)化顯示，也可轉化為直方圖直觀查看，通過不同顏色顯示出環(huán)境各項數(shù)據(jù)的濃度。軟件系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)流程

4.1.3 上位機監(jiān)控圖像的顯示

環(huán)境檢測模塊采集的數(shù)據(jù)經處理后傳送到主端，再由Processing編寫的上位機系統(tǒng)在PC機上顯示。系統(tǒng)節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示

4.2 編程設計

Keil uVision5 MDK軟件主要分為2大類：一類針對C51的編程環(huán)境；一類針對于MDK的編程環(huán)境。2類軟件在工作窗口布局的設計上幾乎相同。系統(tǒng)設計采用Keil 5 MDK的編程環(huán)境，除保留了之前的一些配置外，對軟件整體進一步優(yōu)化，STM32作為一款ARM內核單片機，在此編程環(huán)境下有利于系統(tǒng)的開發(fā)，為整個設計提供了極大的便捷，軟件內置強大的仿真功能以及多種燒錄方式。

5 測試及分析

5.1 測試數(shù)據(jù)

（1）對PM2.5檢測傳感器進行調試，對其實際響應聲光提示進行記錄，煙霧采集數(shù)據(jù)、聲光提示記錄如表1所示。

表1 煙霧采集數(shù)據(jù)、聲光提示記錄

（2）對LoRa模塊傳輸距離進行記錄，分析其系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。傳輸距離、傳輸狀態(tài)測試結果如表2所示。

表2 傳輸距離、傳輸狀態(tài)測試結果

（3）對于PC端上位機，實時切換用戶的數(shù)據(jù)顯示以及超出設定值的數(shù)據(jù)，提示窗口功能測試表，通過對系統(tǒng)的多次測量，提高整體的穩(wěn)定性。上位機顯示、窗口提示測試結果如表3所示。

表3 上位機顯示、窗口提示測試結果

5.2 測試結論

（1）當按鍵選擇菜單進入不同的監(jiān)測環(huán)境時，顯示界面能第一時間顯示當前測量數(shù)據(jù)。

（2）當外界情況發(fā)生變化時能快速地保存數(shù)據(jù)，發(fā)送到接收端進行打包，發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機顯示。

（3）當PM2.5濃度到達30%時，燈光提醒；PM2.5質量分數(shù)大于50%時，當前數(shù)據(jù)會被提升到最高優(yōu)先級，對系統(tǒng)發(fā)出請求，聲光報警。

（4）LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸模塊在傳輸距離大于3 km時，數(shù)據(jù)易丟失，因此小于3km為可靠傳輸距離。

（5）PC端切換用戶，能實時顯示所選擇的相應用戶的數(shù)據(jù)，危險氣體超標時，窗口做出提示。

6 結語

本文設計了一種基于LoRa的城市環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了我國現(xiàn)有的基于GPRS的環(huán)境檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸設備耗資大、結構透明度差、實時數(shù)據(jù)傳輸慢，不便于管理等缺點，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)了城市環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化。項目組研發(fā)的串口（RS485或RS422）擴展技術具有獨特的創(chuàng)新。LoRa技術與網(wǎng)關之間的通信，使得工作人員無需到檢測現(xiàn)場便可以了解當?shù)財?shù)據(jù)，而且可實現(xiàn)多機通訊，隨時了解環(huán)境變化情況，極大地提高了辦公和通信效率。本系統(tǒng)設計功耗低、范圍廣、傳輸透明、檢測數(shù)據(jù)廣，可用于道路、礦場、大棚等中大型企業(yè)。系統(tǒng)可擴展為對基站的搭建，實現(xiàn)更廣范圍、更遠距離的監(jiān)測，大幅度地節(jié)省了開支。該設計具有廣泛的應用前景。