基于Lora無線傳輸?shù)撵F霾源頭在線監(jiān)控裝置開發(fā)

李可鑫 于 洋 婁偉閩 張少迪

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津 300222）

0 引言

近幾年來，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重地影響了人們的身心健康、社會環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，霧霾問題已經(jīng)逐漸成為社會各界重點(diǎn)關(guān)注的重大問題。霧霾天氣導(dǎo)致能見度降低，嚴(yán)重的視程障礙威脅著城市道路交通、高速公路、航道的安全以及飛機(jī)的起飛、著陸。目前，國家對霧霾的治理非常關(guān)注。2012年9月，國務(wù)院頒布《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，在京津冀、長三角、珠三角等13個重點(diǎn)區(qū)域，投資3500億元，實(shí)施包括霧霾治理在內(nèi)的重點(diǎn)工程項(xiàng)目。然而全國范圍內(nèi)僅有約1500個大氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)污染源頭的覆蓋還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此國家急需安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、在線監(jiān)測的霧霾測量設(shè)備。

本項(xiàng)目基于STM32單片機(jī)開發(fā)一套控制系統(tǒng)，包括終端采集傳感器、控制電路及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊。傳感器擬采用PM2.5傳感器、風(fēng)速傳感器與攝像頭，主要實(shí)現(xiàn)PM2.5濃度、風(fēng)速與現(xiàn)場圖像的數(shù)據(jù)獲取。控制電路采用 STM32單片機(jī)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程模塊采用LoRa技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

霧霾源頭在線監(jiān)控裝置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)控制系統(tǒng)與采集器組成。采集器主要分為三個方面：終端采集傳感器、STM32控制電路、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸電路。

1.2 PM2.5傳感器選型

在本文設(shè)計(jì)中測量的是環(huán)境中的 PM2.5濃度和風(fēng)速。PM2.5濃度主要使用灰塵傳感器YW-51GJ，風(fēng)速主要使用風(fēng)速風(fēng)向傳感器XFY3-1。

其中灰塵傳感器YW-51GJ考慮到它有高靈敏度，響應(yīng)時間短，體積小，高EMC性能且利用微小顆粒物對光的散射原理，當(dāng)微小顆粒物經(jīng)過檢測孔時，對光線形成散射。散射光線的一部分通過光軸，經(jīng)透鏡聚集到感光元件，感光元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，最終通過串口輸出數(shù)字信號。將YW-51GJ的TXD引腳與STM32的串口USART2的RXD引腳連接，實(shí)現(xiàn)串口通訊數(shù)據(jù)傳輸。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器感應(yīng)距地面11m處的空氣流動，對空氣流動速度及方向進(jìn)行檢測及光電轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)字量化、時間平均、存儲等處理。XFY3-1傳感器輸出信號為直流電壓0～5V，將其OUT引腳與STM32的ADC1IN引腳連接，通過AD轉(zhuǎn)換得到風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.3 電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊中轉(zhuǎn)換電壓芯片是 LM1117，這里用到了LM1117-5V和LM1117-3.3V的芯片，外接鋰電池電壓就可以通過這兩個轉(zhuǎn)換電壓的芯片得到5V和3.3V，5V電壓給ULN2003和74HC4051B等芯片，3.3V電壓供給STM32單片機(jī)。

1.4 定位及數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用GPS定位模塊UBX-M8030，該模塊將定位信息通過串口方式輸出。存儲部分選擇 AT24C02芯片，AT24C02是大小為2K的位串行CMOS E2PROM存儲器。該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個專門的寫保護(hù)功能。其對實(shí)時得到的定位數(shù)據(jù)、PM2.5濃度和風(fēng)速進(jìn)行暫時存儲，以便后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線遠(yuǎn)傳。

1.5 無線通訊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用無線串口透傳模塊E32-TTL100，該模塊嵌入了高速低功耗單片機(jī)和高性能LoRa擴(kuò)頻芯片SX1278，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高。發(fā)射功率100mW，超低功耗，超強(qiáng)穿透，工作在170MHz頻段，LoRa擴(kuò)頻的通信距離能達(dá)到3-5km。將透傳模塊E32-TTL100的RXD與TXD引腳與STM32的USART1串口連接，實(shí)現(xiàn)無線通訊功能。

1.6 攝像頭電路設(shè)計(jì)

攝像頭選用OV5647模塊，拍攝圖像500萬像素，內(nèi)置IRCUT，自帶紅外補(bǔ)光燈，支持紅外夜視，可修正紅外攝像頭白天偏色的問題，成像效果更好。支持調(diào)焦，可根據(jù)進(jìn)物體的遠(yuǎn)近進(jìn)行調(diào)整。使用攝像頭對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行攝像，對PM2.5污染超限時期環(huán)境情況拍照采集。OV5647模塊支持串行攝像機(jī)控制總線協(xié)議，將模塊SDA與SCL引腳與STM32的I2C接口引腳連接，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸。

2 程序設(shè)計(jì)

采集器將現(xiàn)場參數(shù)通過Lora無線通訊進(jìn)行遠(yuǎn)傳，在本地PC機(jī)端安置Lora網(wǎng)關(guān)，通過串口透傳將遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)。上位機(jī)網(wǎng)關(guān)上電后進(jìn)行Lora組網(wǎng)，當(dāng)組網(wǎng)成功后，采集器與網(wǎng)關(guān)建立連接，網(wǎng)關(guān)等待采集器終端數(shù)據(jù)。收到遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)后，向采集器發(fā)送接收確認(rèn)報(bào)文，并將數(shù)據(jù)寫入本地。考慮到現(xiàn)場采集器采用鋰電池供電且更換電池不便，對采集器進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)配置，配置成功后Lora模塊上電并嘗試連接網(wǎng)關(guān)，入網(wǎng)成功后再上報(bào)傳感器測量數(shù)據(jù)。等待接收網(wǎng)關(guān)確認(rèn)報(bào)文后，再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。若組網(wǎng)過程不成功，等待5s后再次組網(wǎng)，3次不成功進(jìn)入睡眠狀態(tài)，待睡眠時間到后自動喚醒重發(fā)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀采用如下格式編碼：參數(shù)采集器編號(8位)+時間（年月日各8位，時分秒各8位，共48位）+電池電量（8位）+PM2.5數(shù)據(jù)（8位）+風(fēng)速數(shù)據(jù)（8位）。

本項(xiàng)目采用Labview開發(fā)上位機(jī)界面，在PC端進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集與顯示。上位機(jī)系統(tǒng)支持用戶登錄功能，不同用戶登錄以后，實(shí)時數(shù)據(jù)保存入不同的文件中。STM32通過Lora遠(yuǎn)程通訊模塊，將信息發(fā)往PC端的Lora接收器，Lora接收器通過串口與PC機(jī)連接，實(shí)時傳輸傳感器采集信號。實(shí)時數(shù)據(jù)在Labview界面顯示。

3 實(shí)物調(diào)試運(yùn)行

將采集器置于現(xiàn)場環(huán)境中，可在檢測環(huán)境中通過電池供電實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測PM2.5參數(shù)與風(fēng)速，電池電量為5000mAh，通過對采集器進(jìn)行低功耗休眠編程，可供采集器使用1個月以上。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目開發(fā)了一種基于LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的霧霾在線檢測裝置，并具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)便于安裝、能夠在線測量、適用范圍更廣的特點(diǎn)。系統(tǒng)包括終端采集傳感器、控制電路及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊。此外，在系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了一個易于使用的上位機(jī)用戶界面。