基于Lora技術的氣象監測系統

冒志益，劉光祖

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京210094）

隨著物聯網的發展和應用，以智慧農業為代表的新興產業越來越體現出得天獨厚的優勢[1]。而對于占地面積更大的林牧業的氣象監測，目前主流的Zigbee技術傳輸距離相對較短，無法滿足長距離傳輸的要求[2-3]。本系統采用的LoRa技術是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，可以較好地應用于林牧業的數據傳輸[4-6]。軟件算法設計參考了大系統理論，對各種干擾因子進行了綜合調控，通過實地的試驗，測試了該監測系統的傳輸穩定性，丟包率控制在0.1%以內，滿足了工程設計的需要。

1 系統硬件設計

節點部分采用ST公司的STM32芯片設計，通信模塊采用Semtech公司的SX1276芯片設計，網關由終端節點和PC機組成，經由Internet連接至云服務器。整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.1 無線芯片、節點MCU的選擇

考慮到本系統針對的是長距離無線數據傳輸，同時低功耗的特點，所以選用SX1276芯片。數據通過LoRa協議傳輸至網關，既免去了有線數據傳輸的布線與施工，又由于LoRa技術傳輸距離遠，空曠地區最遠可達15 km，可以較好地滿足要求。

對于節點MCU的選擇需要參考一下幾個因素：1）林牧業環境由于其面積較大，所以采用有線布線方式成本較高，而無線又面臨著功耗和傳輸距離的矛盾，但LoRa技術的出現解決了這一矛盾，所以MCU應支持相應的LoRa芯片或者LoRa模塊。2）是否為SoC（片上系統級）芯片。因為片上系統級芯片的功能較強，片內資源豐富，包含若干通道的A/D、D/A、SPI、I2C、UART，以及足夠大的ROM和RAM，外圍電路相對簡單，這樣既保證了系統的穩定，也有利于系統的開發與測試。3）功耗。由于林牧業面積較大，可能數公里內只有一個節點，如果功耗較高，則需要經常更換電池，造成不必要的麻煩。而且系統需要不間斷地采集24h內各個時段的氣象信息，所以MCU的功耗是影響節點使用時間的重要因素。STM32F103CBT6自 帶 128Kb的 Flash、20Kb的SRAM、7通道DMA控制器、80個可編程GPIO口，支持ADC、I2C、SPI、UART等外設，可以方便地搭載相應的氣象傳感器和LoRa芯片，節點原理框圖如圖2所示。

圖2 節點原理框圖

同時，由于LoRa無線收發頻率是433 MHz的射頻，所以PCB中天線的布設成為關鍵點，由于不同用戶所設計的PCB排版和所用材料不同，所以在布設完成后，應采用Ansys公司的HFSS V12進行仿真測試后再進行PCB的加工。

1.2 傳感器接口電路的設計

本系統中氣象元素包括溫濕度、光照度、氣壓和風速，對于傳感器的選擇，由于是林牧業環境，需考慮以下因素：1）穩定性傳感器必須在室外，尤其是晝夜溫差較大時保持良好的穩定性；2）MCU是否提供相應的通信接口；3）使用時限傳感器需要在室外環境進行長期測量，應具有較長的使用時限。

1.2.1 溫濕度傳感器電路的設計

本系統溫濕度傳感器選用SHT20，該傳感器配有一個全新設計的CMOS芯片，一個電容式濕度傳感元件和一個能隙溫度傳感元件，嵌入了適于回流焊的雙列扁平無引腳DNF封裝，體積小，采用I2C協議與MCU通信，在電路設計時，芯片的DATA引腳和SCL引腳接上拉電阻，具體原理圖如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器設計原理圖

1.2.2 光照度傳感器電路的設計

本系統光照度傳感器選用BH1750FVI，該傳感器通過50 Hz/60 Hz除光噪音功能實現穩定的測定，接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，輸出對應亮度是數字值，分辨率較高，光源依賴性弱，可以探測較大范圍內的光強度變化（1lx-65535lx），采用I2C與MCU通信。

在電路設計時，SCL引腳和SDA引腳接上拉電阻，ADDR引腳引出，具體原理圖如圖4所示。

圖4 光照度傳感器設計原理圖

1.2.3 氣壓傳感器電路的設計

本系統氣壓傳感器選用MS5611-01BA，該傳感器包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ模數轉換器，分辨率達到10 cm，可采用SPI和I2C協議與MCU通信。本次設計采用I2C協議，將CBS引腳接地，SDO引腳懸空，SCLK和SDA引腳接上拉電阻，具體原理圖如圖5所示。

圖5 氣壓傳感器設計原理圖

1.2.4 風速傳感器電路的設計

本系統采用傳統的三杯風速傳感器測量風速，如圖6所示。

圖6 三杯風速傳感器

其中風杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；杯體內置信號處理單元能根據用戶需求輸出相應風速信號，可廣泛用于氣象、海洋、環境、機場、港口、實驗室、工農業及交通等領域。

由于該風速儀采用RS485接口，所以在電路設計時，需采用MAX3485芯片將RS485電平轉換為TTL電平，通過UART與MCU通信，具體原理圖如圖7所示。

圖7 電平轉換原理圖

1.3 節點電路的設計

本系統中采用STM32作為MCU，外圍電路包括溫濕度傳感器、光照傳感器、氣壓傳感器電路，風速傳感器（RS485電平轉換電路），USB-TTL電平轉換電路，USB接口，SWD調試接口，5～3.3 V電壓轉換電路，對于該芯片的電路設計可參考ST公司的數據手冊[7]。

在進行USB-TTL電轉換電路的設計時，可使用PL2303芯片，該芯片是一種高度集成的接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯接的解決方案，具體電路原理圖如圖8所示。

圖8 USB-TTL電平轉換原理圖

1.4 LoRa網關的設計

在一般的系統設計中，各個節點獲得數據后，都需要將數據傳送至路由器，再由路由器對數據進行打包處理后傳送至互聯網或服務器。而在本系統中，由于成品的LoRa網關的價格較為昂貴，在節點數不多的情況下，使用LoRa網關會造成資源浪費。所以使用LoRa節點和PC機組成LoRa網關，將LoRa節點的地址設置為0xFFFF，作為終端節點，能夠接收所有節點發送的數據，同時也能發送數據至所有節點。再利用上圖9所示的USB-TTL電平轉換電路將終端節點的輸出信號轉化為USB信號，與LoRa網關進行數據傳輸。通過編寫一個串口通信軟件，LoRa網關可以方便接收并記錄終端節點傳送的數據。

2 系統軟件設計

系統軟件方面，涉及到單片機，LoRa網關，云服務器以及移動客戶端軟件的相關編程。

2.1 節點MCU的編程

由于節點使用的是STM32系列，所以采用ST公司推廣的STM32CubeMX軟件。該軟件使用圖形化配置的方法，免去了在程序中對于基本的引腳輸入輸出，時鐘頻率等等的配置，方便了程序開發，縮短了開發周期，對于芯片的芯片配置如圖9所示。

在設置了相應引腳和時鐘等參數后，可以將框架代碼導出到相應的編譯軟件。在KEIL5中編程時，需對傳感器編寫相應的驅動程序。對于SHT20芯片，使用I2C總線與MCU進行通信，主要就是對芯片初始化函數SHT20_Init、SCL線的輸入輸出函數SHT20_SCL_Input、SHT20_SCL_Output、SDA線的輸入輸出函數SHT20_SDA_Input、SHT20_SDA_Output等進行編寫。

圖9 節點芯片配置圖

考慮到系統采用電池供電，在算法的設計時應盡可能降低系統功耗。由于在同一時刻，網關只能和一個節點交換信息，因此本系統采用輪詢方式，在網關接收一個節點數據前，先由網關向該節點發送喚醒信號，節點開始工作，采集氣象信息并發送到網關，網關成功接收數據后，再向節點發送休眠信號，節點進入休眠狀態后，網關繼續向下一個節點發送喚醒信號，如此循環，整個過程如圖10所示。

圖10 節點通信流程圖

2.2 USB串口通信的編程

在終端節點接收到數據后，需通過USB傳送至LoRa網關，再由網關傳輸至云服務器，所以如何穩定地傳輸數據將是本次程序設計的重點。由于程序是運行于PC機上，可使用MFC來進行開發。MFC是一個微軟公司提供的類庫，以C++類的形式封裝了Windows API，并且包含一個應用程序框架，以減少應用程序開發人員的工作量。其中包含大量Windows句柄封裝類和很多Windows的內建控件和組件的封裝類。使用MFC編程時，先通過添加文本框和按鈕對整體界面進行布局，再插入Microsoft Communication Control串口通信類控件，在類向導設置每個控件的變量，最后添加相應的控件事件處理函數。基本設置完成后，需在框架程序中完善上述的事件處理函數。主要是對串口處理函數的調用，包括串口選擇函數SetCommPort（）、波特率設置函數SetSettings（）、緩沖區大小設置函數 SetInBufferSize（）和SetOutBufferSize（）、模式設置函數SetInputMode（）、串口打開函數SetPortOpen（）等等，再運用MFC中文本類句柄新建TXT文檔以保存數據到PC機上，軟件界面如圖11所示。

圖11 串口通信軟件

2.3 Lora網關與云服務器軟件的編程

在LoRa網關讀取并保存數據到本地數據庫之后[8]，利用網絡編程相關知識[9-10]，將LoRa網關的數據傳送到云服務器上，用戶可通過移動客戶端經由Internet訪問云服務器，整個系統的數據傳輸過程如圖12所示。

在數據上傳的過程中，可采用C/S（客戶端/服務器）模式。開發軟件選擇Visual Studio 2010，其中包含自帶的Socket函數類庫，可以方便的運用于網絡編程。主要調用以下函數：套接字創建函數Socket.Creat（）、服務器連接函數 Socket.Connect（）、連接請求接收函數Socket.Accept（）、網絡監聽函數Socket.Listen（）、信息發送函數 Socket.Send（）、信息接收函數 Socket.Receive（）、套接字關閉函數 Socket.Close（）等等。初始化時，先指定網絡端口號（一般在0到65535之間取大于1024的值），并建立監聽，等待客戶端的連接。在服務器端接受到相應的數據后，保存在服務器的數據庫中。

圖12 數據傳輸流程圖

2.4 移動端軟件的編程

云服務器存儲了相關數據之后，需要對其進行遠程訪問。在移動端軟件的制作方面，考慮到安卓系統的市場占有率較高，采用Google公司的Android Studio軟件來開發安卓軟件[11-16]。仍然采用C/S模式，客戶端通過Socket與服務器通信，在編寫程序時，可分為以下步驟：1）通過IP地址和端口實例化Socket，請求連接服務器；2）獲取Socket流以進行讀寫，并把流包裝進BufferWriter或者 PrintWriter；3）對Socket進行讀寫；4）關閉打開的流。編寫完成后可直接在PC機上運行服務器程序，手機上運行客戶端軟件，進行測試。

3 系統測試

為了驗證系統的可行性與穩定性，需要測試一下幾個方面：1）節點監測數據與網關接收數據的一致性，以及與距離的關系。2）網關發送數據與云服務器接收數據的一致性。3）移動客戶端訪問云服務器時的流暢度，以及能否及時地更新數據。

對于第一點，在節點的PCB設計時加上USB串口和RS232-USB接口轉換芯片PL2303，將節點通過USB與PC機連接，使用上述制作的USB串口通信軟件，將數據保存到相應文檔。由于節點采集到數據后，傳給STM32，再同時經由LoRa和USB發送給網關和PC機，此時USB端接受到的數據等效于LoRa端發送的數據，與網關接收的數據對比后如表1所示。

表1 發送接收數據對比

對于第二點，在本次系統測試時，采用局域網的方式，一臺計算機模擬云服務器，一臺計算機為客戶端，分別運行服務器和客戶端程序。輸入cmd命令后，在命令行里通過config指令來獲得局域網內服務器和客戶端的IP地址，服務器和客戶端IP分別為192.168.1.103和192.168.1.104，在輸入IP地址后，指定相同的端口號（4096），服務器端開始監聽，客戶端連接服務器，建立連接后，客戶端發送數據，服務器端接收數據，軟件運行界面如圖13和圖14所示。

圖13 客戶端軟件

圖14 服務器端軟件

對于第三點，在本次系統測試時，用計算機模擬云服務器，開始監聽，打開手機客戶端，建立連接后，客戶端端訪問服務器數據，軟件運行界面如圖15所示。

4 結 論

文中設計的氣象監測系統主要是針對林牧業等

圖15 移動端軟件測試圖

覆蓋范圍較大的產業，能實時監測各個節點處的溫度、濕度、光照度能環境因素，并使用LoRa節點和PC機構成LoRa網關從而可以方便管理各個節點。另外通過移動客戶端軟件的開發，方便地進行遠程監控，以便及時采取相應的措施。

參考文獻：

[1]李道亮.城鄉一體化發展的思維方式變革——論現代城市經濟中的智慧農業[J].人民論壇·學術前沿，2015（17）:39-47.

[2]趙金燕，楊秀娟，郎云雯，等.基于Zigbee技術的溫濕度采集系統設計[J].電子設計工程，2013，21（6）:15-17.

[3]Gill K，Yang S H，Yao F，et al.A zigbee-based home automation system[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2009，55（2）:422-430.

[4]趙靜，蘇光添.LoRa無線網絡技術分析[J].移動通信，2016，40（21）:50-57.

[5]ugustin A，Yi J，Clausen T，et al.A study of Lora:long range&low power networks for the internet of things[J].Sensors，2016，16（9）:1466.

[6]劉琛，邵震，夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術分析與應用建議[J].電信技術，2016（5）:43-46，50.

[7]楊鳳彪，劉云.STM32F10X系列微控制器標準外設庫的應用[J].電子設計工程，2012，20（11）:148-150.

[8]國家863中部軟件孵化器.MySQL從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[9]W.RichardStevens.UNIX network programming.Volume 2，Interprocess communications:=UNIX網絡編程.卷2，進程間通信[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[10]鄭阿奇.Visual C++網絡編程[M].北京：電子工業出版社，2011.

[11]楊瀟亮.基于安卓操作系統的應用軟件開發[J].電子制作，2014（19）:45-46.

[12]劉銳.Android開發的性能優化[J].電腦編程技巧與維護，2013（16）:115-116，118.

[13]董志鵬，張水波.Android開發課堂實錄[M].北京：清華大學出版社，2016.

[14]劉銳.Android開發的性能優化[J].電腦編程技巧與維護，2013（16）:115-116.

[15]尹京花，王華軍.基于Android開發的數據存儲[J].數字通信，2012，39（6）:79-81.

[16]紀曉陽.線程在Android開發中的應用[J].軟件，2013（8）:24-26.