基于LoRa的城市環境數據監測可視化系統設計

崔建強，張建民，邱明杰，亓曉龍，尹子良，徐 艷

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

當今世界信息爆炸，在各種數據快速、無誤差傳輸的條件下，降低數據信息傳輸成本尤為重要。檢測環境數據的傳輸依賴網絡，因此建造環境檢測點需要搭建網絡通信系統與之配套。目前，網絡通信系統普遍應用的是GPRS技術，應用此項技術的不利因素是隨著系統的需求基站數目迅速增加，用戶將為數據的傳輸支付巨額的流量費用。同時，我國現有的基于GPRS的環境檢測系統設備耗資巨大、結構透明度差、實時數據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（LPWAN）通信技術，具有傳輸距離遠、功耗低、節點多、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技術實現城市環境數據可視化系統的設計。

1 系統總體設計

1.1 結構組成

系統采用STM32F10x系列芯片作為控制處理器，前端采用環境數據檢測傳感器，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據加密功能，獨特的網絡密鑰（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據通過大范圍。經無線電發送，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，系統使用本項目組自主研發的串口（RS485或RS422）擴展技術，實現批量無線數據的傳輸及以低成本創造高效益的目標。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

1.2 LoRa社區監控平臺方案設計

將LoRa通信功能的傳感器安置于每位用戶監測區域的關鍵位置，以檢測當前用戶家庭室內或室外的空氣質量、溫濕度、CO2含量等各項環境指標，將經處理器處理后的數據發送到接收端。用戶也可自主設定上限參數，系統將對其作出相應的提示。數據傳輸的穩定性依賴于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]。遠程接收端將數據進行處理后再通過UART協議發送到PC上位機端。監控平臺整體結構如圖2所示。

圖2 監控平臺整體結構

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 融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術。LoRa網絡主要由終端（內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、服務器和云4部分組成，應用數據能夠雙向傳輸。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網產業鏈中的M2M行業，如智能建筑、智能電網、智能交通、無線自動化數據采集、石化等領域。

LoRa的優勢在于技術方面的長距離傳輸能力。單個網關或基站可以覆蓋整個城市或數百平方公里范圍。在一個給定的位置，傳輸距離在很大程度上取決于環境或障礙物，但LoRaR和LoRaWAN鏈路預算優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是半雙工傳輸的低中頻收發器，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進行數據轉換，所有信號處理解調均在數字領域進行，數字狀態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。射頻前端和數字狀態機所有重要參數均可通過一個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）等諸多優點。

LoRa為一種無線調制的方式，對比傳統調制技術，其在抑制同頻干擾方面優勢明顯，解決了傳統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，其余的都可以實現接收、廣泛監聽和定點發射功能。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節點系統如圖3所示。

圖3 ZM470SX節點系統

3.2 環境監測模塊設計

環境監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據信息，按照設定值進行比較并預警，當相應數據過高時發出報警。環境檢測模塊結構如圖4所示。

圖4 環境檢測模塊結構圖

（1）PM2.5檢測 PM2.5檢測使用DSL-03激光數字式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為電信號，再通過特定算法計算出PM2.5質量濃度、PM10質量濃度、PM0.3～PM2.5粒子個數、PM2.5～PM10粒子個數。通過檢測可判斷該區域是否適合出行活動以及發出相應預警。該傳感器具有體積小巧、安裝方便、檢測速度快、檢測數值穩定準確、抗干擾能力強等優點。

（2）有害氣體檢測 空氣中的有害氣體量過高，對環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濃度過高會引發溫室效應、冰川融化等災害，所以需對CO2進行實時監測。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 系統還可對溫濕度、大氣壓、降雨量以及土壤濕度等進行分析監測。

3.3 RFID射頻卡識別與觸摸屏顯示模塊設計

系統采用射頻卡人員識別系統，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測節點界面，進行選擇監測顯示。

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點直觀地觀察監測數據，同時也便于大眾了解該區域的環境數據。GPS系統的設計方便了工作人員直接讀取某一地點的數據，有效減輕了工作人員的工作量。

3.5 太陽能充電模塊設計

在使用過程中節點系統會消耗較大的能量，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專門開發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，有顯著的運算優勢和寄存器配置，易兼容、易購買，整體的開發成本也能大幅度降低。

4 系統軟件設計

軟件部分主要完成數據的處理與傳輸，通過服務器將采集到的數據傳輸到網上。

4.1 環境可視化設計

可視化結構由計算器服務器、文件服務器及登錄節點構成。直觀數據有CO2濃度、土壤濕度、空氣溫濕度、大氣壓值以及降雨量等。系統所覆蓋的區域為整個學校（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）傳感器的數據采集，按鍵的判斷，聲光提醒；

（2）數據在液晶顯示屏上的顯示，對特殊字符的編寫；

（3）LoRa模塊數據的讀取與發送，將打包數據發送到PC機[11]；

（4）上位機數據的接收及處理，并顯示在對話框中；

（5）設置系統優先級，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，支持許多現有Java語言架構，在語法上更加簡易。

系統上位機可以單節點數據顯示，也可全局節點環境數據監測；可完全數據化顯示，也可轉化為直方圖直觀查看，通過不同顏色顯示出環境各項數據的濃度。軟件系統流程如圖5所示。

圖5 軟件系統流程

4.1.3 上位機監控圖像的顯示

環境檢測模塊采集的數據經處理后傳送到主端，再由Processing編寫的上位機系統在PC機上顯示。系統節點環境數據監測顯示如圖6所示。

圖6 系統節點環境數據監測顯示

4.2 編程設計

Keil uVision5 MDK軟件主要分為2大類：一類針對C51的編程環境；一類針對于MDK的編程環境。2類軟件在工作窗口布局的設計上幾乎相同。系統設計采用Keil 5 MDK的編程環境，除保留了之前的一些配置外，對軟件整體進一步優化，STM32作為一款ARM內核單片機，在此編程環境下有利于系統的開發，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 測試數據

（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，煙霧采集數據、聲光提示記錄如表1所示。

表1 煙霧采集數據、聲光提示記錄

（2）對LoRa模塊傳輸距離進行記錄，分析其系統數據傳輸的穩定性。傳輸距離、傳輸狀態測試結果如表2所示。

表2 傳輸距離、傳輸狀態測試結果

（3）對于PC端上位機，實時切換用戶的數據顯示以及超出設定值的數據，提示窗口功能測試表，通過對系統的多次測量，提高整體的穩定性。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測環境時，顯示界面能第一時間顯示當前測量數據。

（2）當外界情況發生變化時能快速地保存數據，發送到接收端進行打包，發送數據到上位機顯示。

（3）當PM2.5濃度到達30%時，燈光提醒；PM2.5質量分數大于50%時，當前數據會被提升到最高優先級，對系統發出請求，聲光報警。

（4）LoRa無線數據傳輸模塊在傳輸距離大于3 km時，數據易丟失，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據，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的城市環境數據監測可視化系統，該系統克服了我國現有的基于GPRS的環境檢測系統數據傳輸設備耗資大、結構透明度差、實時數據傳輸慢，不便于管理等缺點，通過無線網絡實現了城市環境數據的可視化。項目組研發的串口（RS485或RS422）擴展技術具有獨特的創新。LoRa技術與網關之間的通信，使得工作人員無需到檢測現場便可以了解當地數據，而且可實現多機通訊，隨時了解環境變化情況，極大地提高了辦公和通信效率。本系統設計功耗低、范圍廣、傳輸透明、檢測數據廣，可用于道路、礦場、大棚等中大型企業。系統可擴展為對基站的搭建，實現更廣范圍、更遠距離的監測，大幅度地節省了開支。該設計具有廣泛的應用前景。