基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度監(jiān)測器設(shè)計(jì)

馬書軼　陳恒　王兆壯　徐穎

摘 要：在倉庫的正常使用過程中，溫濕度是一個(gè)必不可少的條件。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，作為IoT的重要組成部分，智能倉儲管理也會因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善而越來越高效。文章設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)倉儲管理系統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，通過LoRa無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);溫濕度監(jiān)測;傳感器節(jié)點(diǎn);LoRa網(wǎng)關(guān)

0 ? 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，倉儲管理方式轉(zhuǎn)變，物流更加方便快捷。倉庫內(nèi)的環(huán)境直接影響貨物能存放的時(shí)間和質(zhì)量[1]，溫度和濕度是影響貨物質(zhì)量的直接因素，為了能長時(shí)間地存儲貨物，需要使用監(jiān)測器對倉庫環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1? 總體方案

本文提出一種監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式;以mcu為核心，將需要實(shí)現(xiàn)的功能模塊化。考慮到倉庫中需要使用的檢測器數(shù)量眾多，環(huán)境復(fù)雜，給每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)接線供電不現(xiàn)實(shí)，因此使用鋰電池供電方式。基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件主要由stm32f103c8t6、HTU21d、M120-l、tps62082dsg組成[2]。總體功能實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示。

1.1? 主控模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所使用到的資源比較少，只需用1個(gè)USART接口、1個(gè)定時(shí)器資源以及1個(gè)SPI 接口，不需要使用高容量存儲器滿足大量程序編寫。因此，STM32F103C8T6芯片可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本文采用最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，包括主控芯片、晶振電路、復(fù)位電路以及濾波電路。

1.2? 傳感器模塊設(shè)計(jì)

由于倉庫環(huán)境的復(fù)雜與多樣，需要選用測量范圍大，且對工作條件不敏感的溫濕度傳感器[3]，同時(shí)需要大批量監(jiān)測點(diǎn)，考慮到成本，擬選用數(shù)字溫濕度傳感器HTU21D。該產(chǎn)品精度高，測量范圍大（-40 ℃～125 ℃，±0.3 ℃;0～100%RH，±2%RH）。工作時(shí)，通過i2c與主控芯片相連，處在待用狀態(tài)時(shí)使用上拉電阻將兩線都鉗位在高電平。典型電路如圖2所示。

1.3? 電源模塊設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際情況下，庫房內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，不能滿足接線的需求。本文未采用充電插座220 V 供電/USB 5 V 供電的方式，而是采用了3.7 V 鋰電池供電的方式。本文以鋰電池作為電源，由于鋰電池長期工作電壓會低于3.3 V，而LDO的機(jī)理只能實(shí)現(xiàn)降壓變換，因此選用DC-DC 芯片TPS62082DSG作為電壓轉(zhuǎn)換電路的核心，1.2 A的最大輸出電流能夠滿足對一系列外圍電路的供電需求。

本文選用了一節(jié)型號為103048 的1 500 mAh 鋰電池，并對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行了預(yù)估，綜合各個(gè)元器件的功耗。隨后對其進(jìn)行了壽命預(yù)估，通過計(jì)算得到全工作模式下能運(yùn)行約15 h，休眠待機(jī)模式能持續(xù)運(yùn)行約4年的結(jié)果，并按2年壽命對其工作周期進(jìn)行分配，得到工作時(shí)間與休眠時(shí)間之比約為1∶2 500。電源電路如圖3所示。

1.4? LoRa模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊采用慧聯(lián)無限科技公司的一款LoRa模塊，M120（L）。M120是慧聯(lián)無限科技有限公司研制的一款LoRa通信模塊。模塊集成了LoRaWAN協(xié)議棧，并且符合LoRa聯(lián)盟發(fā)布的LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)（V1.0.2，Class A/C），能夠支持不同廠商設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在LoRa網(wǎng)絡(luò)下，M120（L）支持0.018～37.5 kbps的傳輸速度，低功耗，高靈敏度，抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋范圍廣。為縮短開發(fā)周期，盡快完成監(jiān)測節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的功能，本文避免了對M120裸片的研發(fā)，直接采用了M120（L）成品模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)可直接通過串口使用AT 指令對其進(jìn)行控制。通信模塊電路如圖4所示。

2? 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

Class A類的LoRa終端功耗最低，能夠滿足設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)工作兩三年的要求。終端上行傳輸后的很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行服務(wù)器的下行傳輸。其他任何時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行下行傳輸都得等終端的下一次上行。

基于硬件使用LoRa模塊，因此需要使用網(wǎng)關(guān)對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)才能連接上運(yùn)營商，本次選用F8916-L網(wǎng)關(guān)，傳輸層使用tcp，因?yàn)楸O(jiān)測節(jié)點(diǎn)無須不間斷工作，只需要每隔一段時(shí)間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用層選用mqtt，mqtt是一種輕量級的傳輸協(xié)議，簡單易用。服務(wù)器使用emqx，系統(tǒng)啟動(dòng)后，程序按照指定時(shí)間采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，定量分析倉庫溫濕度變化。

考慮到倉庫生產(chǎn)需求，為了降低損耗，簡化結(jié)構(gòu)，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。LoRa網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)使用星型結(jié)構(gòu)。LoRa網(wǎng)絡(luò)只存在兩個(gè)方向的通信鏈路。在網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)作為匯聚節(jié)點(diǎn)，接收所有網(wǎng)絡(luò)流量。

系統(tǒng)的接入容量，即一定時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)能夠接收多少數(shù)據(jù)包的能力。從理論上來說，單個(gè)網(wǎng)關(guān)有8個(gè)接收信道，在符合LoRaWAN協(xié)議的條件下每天最多能接收1 500個(gè)數(shù)據(jù)包。若某個(gè)傳感器的發(fā)包頻率為每小時(shí)一份數(shù)據(jù)包，那么在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率為10%的狀態(tài)下，單個(gè)網(wǎng)關(guān)能夠接入的傳感器數(shù)目可達(dá)80 000個(gè)。當(dāng)然，這僅僅是理論計(jì)算值，網(wǎng)關(guān)可接入的終端數(shù)量最終還是與終端所配置的發(fā)包頻率、數(shù)據(jù)包的大小、通信速率以及現(xiàn)場的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素相關(guān)。

3? 結(jié)語

本監(jiān)測器系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制，通過模塊化設(shè)計(jì)最終完成各項(xiàng)需求。經(jīng)過測試，本方案能有效地掌握倉庫溫濕度變化狀態(tài)，可以長時(shí)間穩(wěn)定工作。雖然該系統(tǒng)還存在一些不足，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仍需在人機(jī)交互、電量檢測、設(shè)備安全防護(hù)等方面進(jìn)行改進(jìn)。但主要功能符合要求。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今的發(fā)展熱點(diǎn)之一，對環(huán)境變化的監(jiān)測是發(fā)展的必然成果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]靳堯凱，戴貽康，焦運(yùn)良.基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2020（7）：60-62.

[2]邵婷婷，韋強(qiáng)，肖晟涵.一種基于云平臺的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020（6）：92-96.

[3]徐仲，孫先松.基于NB-IoT的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020（2）：20-22.

（編輯 王永超）

Design of temperature and humidity monitor based on Internet of things

Ma Shuyi， Chen Heng， Wang Zhaozhuang， Xu Ying

（Xijing University， Xi’an 710123， China）

Abstract：During the normal use of the warehouse， temperature and humidity are an indispensable condition. With the development of the Internet of things technology， as an important part of the IoT， intelligent warehouse management will also become more and more efficient due to the continuous improvement of the Internet of things infrastructure. This paper designs a temperature and humidity monitoring node based on the Internet of things warehouse management system， which transmits data through LoRa wireless communication technology to achieve real-time monitoring of temperature and humidity.

Key words：Internet of things; temperature and humidity monitoring; sensor node; LoRa gateway