基于LoRa傳輸?shù)拇皞鞲衅鞴?jié)點溫度采集系統(tǒng)研究

摘 要：通過對船舶無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)，進行船舶無線傳感組網(wǎng)設(shè)計，提高對船舶運行狀態(tài)的分析和監(jiān)測能力，無線傳感器網(wǎng)具有自動化程度高、可靠性高、維護簡潔等特點，應(yīng)用于艦船上，可以減少核動力裝置儀表與控制系統(tǒng)電纜布線工作量，布點靈活便捷，節(jié)點[2]數(shù)多，可有效縮短艦船的維護時間，提升艦船自動化系統(tǒng)信息化水平。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對于傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點有明顯的優(yōu)勢，包括信號采集范圍廣、信號精度高、信號處理能力強等。而節(jié)點[3]通過自組織的方式構(gòu)成具有一定規(guī)模的通信網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：船舶;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);LoRa傳輸;溫度采集

1 擬搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)樣機平臺

主要由三部分組成：無線傳感器（壓力和溫度），無線網(wǎng)關(guān)，無線監(jiān)控界面。

（1）無線傳感器監(jiān)測壓力和溫度參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至主機。設(shè)計過程中重點考慮低功耗和時延。（2）無線傳感網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)。（3）無線監(jiān)控界面接收無線數(shù)據(jù)并在主機上顯示。

主要性能：

（1）單個傳感器節(jié)點獨立連續(xù)工作時間不低于2年。

（2）單個網(wǎng)段內(nèi)支持傳感器數(shù)量不低于128個。

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間不大于500ms。

整個無線傳感節(jié)點分4塊板卡，一是電源板卡，為其他各板卡供電;二是壓力傳感板卡，包括將壓力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件;三是核心處理及溫度傳感板卡，包括將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并帶有核心處理器;四是lora通信板卡，負責(zé)收發(fā)無線數(shù)據(jù)。

2 硬件電路[4]

（1）溫度變送器板卡。擬選用伊萊科壓簧式熱電阻熱電偶Pt100溫控儀探頭溫度傳感器WZPT-01，基于AD7124-8[1]低功耗、低噪聲、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），測量在-50℃至+200℃的測量溫度范圍內(nèi)具有±1℃的整體系統(tǒng)精度。系統(tǒng)的典型無噪聲碼分辨率約為15位。AD7124-8采樣的信號以spi接口的形式發(fā)送至CPU（選用低功耗的STM32芯片STM32L151C8T6），該CPU還與lora無線模塊相連，以發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）壓力變送器板卡。擬選用擴散硅形式的壓力傳感頭，電橋輸出采用帶寬為39.6kHz的共模濾波器（4.02k、1nF）以及帶寬為2kHz的差模濾波器（8.04k、10nF）濾波。AD8226是理想的儀表放大器選擇，因為它具有低增益誤差（0.1%，B級）、低失調(diào)（G=50時58uV，B級;G=50時112uV，A級）、出色的增益非線性度（75ppm=0.0075%）以及軌到軌輸出特性。

（3）LoRa無線通信電路。選用RHF76-052商品模塊，其中的MCU為低功耗STM32L051/052，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與LoRa通信功能，見下圖。

3 軟件方案

整個上位機軟件可歸納為，人機界面，常規(guī)監(jiān)控功能（包括溫度壓力監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理，網(wǎng)絡(luò)模塊）實時性、可靠性測試相關(guān)功能（實時傳輸速率監(jiān)測、終端信道與速率設(shè)置，終端跳頻模擬測試，終端掉線重連模擬測試，終端數(shù)據(jù)篡改模擬測試，終端速率自適應(yīng)測試，節(jié)點能量監(jiān)測等）三大塊。

可靠性測試相關(guān)的模塊：①實時傳輸速率監(jiān)測：實時檢測各個終端的傳輸速率，確保單艙室在包含128個無線終端的情況下，能在500ms內(nèi)完成128個無線終端的數(shù)據(jù)傳輸。②終端信道與速率設(shè)置：使上位機能更方便的管理設(shè)置各個無線終端的關(guān)鍵參數(shù)。③終端跳頻模擬設(shè)置：可以使正常通信時使用472MHZ載波頻率的無線終端順利跳轉(zhuǎn)800MHZ的載波頻率，可以通過上位機手動設(shè)置跳頻，也可以根據(jù)干擾情況自動跳頻。④終端掉線與重連模擬：當(dāng)無線終端丟包率低于一定限值，將處于掉線狀態(tài)，經(jīng)過一段時間能自動重新連接LoRa網(wǎng)絡(luò)。上位機能通過手動提高丟包率模擬這種情況，驗證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。⑤數(shù)據(jù)篡改功能模擬：該功能是證明無線網(wǎng)絡(luò)能夠檢測到IEC61784-3規(guī)定的能影響到網(wǎng)絡(luò)可靠性與安全性的數(shù)據(jù)報文錯誤。這些錯誤包括：包括報文重復(fù)、報文丟失、報文插入、報文亂序、報文損壞、報文延時、尋址錯誤等。

參考文獻：

[1]李登.高精度嵌入式電導(dǎo)率儀的研制[J].華南理工大學(xué).

[2]費祥，張梅.基于LoRa的溫濕度監(jiān)測節(jié)點設(shè)計[J].安徽理工大學(xué).

[3]趙全，徐光，郝龍，韓衛(wèi)濟，馬德常.基于LoRa的無線多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].北京航天試驗技術(shù)研究所.

[4]王明超.船舶無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的采集方法研究[J].無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院.

作者簡介：游鑫（1993-），男，漢族，重慶沙坪壩區(qū)人，碩士，研究方向：控制工程。