基于LoraWan的農田氣象監測系統設計

熊永昌,李樹平,徐龍躍,馮駿

摘要：設計一種基于LoraWan的農田氣象監測系統.系統可以大范圍實現農田氣象監測，其設備端由嵌入式微處理器與SX1278實現LoraWan網絡搭建，網關端采用HT-M00雙通道，云端使用LoraWan騰訊云解決方案，進一步降低了功耗和低成本，具有一定的理論與實踐意義.

關鍵詞：LoraWan技術;嵌入式微處理器;騰訊云;RT-Thread

[中圖分類號]TP23[文獻標志碼]A

Research on Farmland Meteorological Monitoring

System Based on LoraWan

XIONG? Yongchang，LI Shuping，XU Longyue，FENG Jun

（School of Physics and Electronic Engineering，Mudanjiang Normal University，Mudanjiang 157000，China）

Abstract：A farmland weather monitoring system based on LoraWan is proposed.The system can implement a large-scale farmland weather monitoring system.The device end is built by an embedded microprocessor and SX1278 to achieve a LoraWan network.The gateway end uses HT-M00 dual-channel，and the cloud uses LoraWan Tencent cloud solutions to further reduce power consumption and low cost.Has certain theoretical and practical significance.

Key words：LoraWan technology;embedded microprocessor;Tencent Cloud;RT-Thread

物聯網系統被應用于各種領域.LoraWan方案作為一種簡單、可實現遠距離、低功耗的無線電通信手段應用于工業、科學、醫學等行業.[1]LoraWan無線通信協議是相當簡單的星型或星型對星型拓撲結構，基于星形拓撲的LoraWan網絡避免了多跳帶來的數據冗余和能耗損失，星型拓撲結構的網關將數據上報給服務器，子節點將數據上報給多個網關，在網絡服務器上執行冗余監測和安全檢查及信息調度.[2]LoraWan系統的一般網絡拓撲結構分為四個部分，第一部分是終端設備節點部分，一般在物聯網系統中終端設備節點安裝有各類傳感器等數據收集裝置，設備端運行RTC及LoraWan協議棧進行LoraWan通信.第二部分為LoraWan網關設備，工業領域使用八通道接收一通道下發的網關設備，最大可接納終端設備可達萬以上.網關設備不僅需要運行LoraWan協議棧，還要運行TCP/IP協議棧、MQTT和HTTP協議.第三部分為云端部分或服務器部分，主要負責接收來自LoraWan網關的數據，同時下發數據.開發者可以在云平臺上注冊網關設備與終端設備進行數據接收與轉發.第四部分為用戶端，用戶端不依賴具體平臺，只要訪問服務器即可獲取來自各個終端的數據.本文提出一種基于LoraWan技術的大范圍農田氣象監測系統.系統設備端由嵌入式微處理器與SX1278實現LoraWan網絡搭建，系統搭載可裁剪風向風速傳感器、雨量計、溫濕度計、土壤濕度計等氣象傳感器，網關端采用HT-M00雙通道低成本網關解決方案，云端使用LoraWan騰訊云解決方案.[3]

1系統的硬件結構

農田氣象監測系統的系統結構可劃分為四個部分：第一部分為Lora的終端設備，負責采集環境的監測數據，進行數據的簡單處理與存儲，上報給LoraWan網關.第二部分為LoraWan網關，負責接收來自終端數據的上行信息，經過處理后上報給服務器.第三部分為云端部分或服務器部分，主要負責接收來自LoraWan網關的數據，同時下發數據.第四個部分為用戶端，通過訪問服務器獲得終端的數據并進行下一步處理.

1.1終端設備

終端設備包含控制器、傳感器和射頻設備.設備采用STM32L4微處理器，使用MAX485芯片，集成MODBUS等工業傳感器通信協議總線接口、信息采集傳感器接口，通過SX1278擴頻通信芯片實現Lora數據傳輸.傳感器有風速計、風向計、雨量計、溫度計、濕度計、光強計等多種可裁剪傳感器.SMT32L4微控制器擁有出色的低功耗解決方案，提供動態電壓調節平衡功耗和處理需求，擁有低功耗的LP UART，LP TIMER等眾多外設和一些高級低功耗模擬外設.SX1278是一個半雙工的低中頻無線數據收發器，當SX1278接收射頻信號時，信號經過低噪聲放大器LNA將信號轉變為差分信號，中頻輸出正相交信號，模擬轉數字進行下一步處理.SX1278包含兩個時鐘基準，一個為RC振蕩器，另一個為32 mHz晶振時鐘，通過標準的SPI接口與微處理器進行數據通信.MX485是一種標準RS-485總線協議芯片，是一種半雙工、低功耗的數據收發器，通常采用+5 V單電源工作，額定電流約300微安，使用RO和IO端進行數據發送和接收，RE和DE端分別控制接收使能和發送使能.當RE為邏輯電平低時，RS-485設備工作在數據接收狀態;當DE為邏輯電平高時，RS-485設備工作在數據發送狀態，匹配100歐姆的阻抗.

光碼盤通過光電轉化把位移量轉換為數字量，用以測定設備的轉速.風向計八方位的干簧管測定八種風向，當風向計轉向不同的方向時，導通不同的干簧管測定風向.采用翻斗式雨量計，通過雙觸點通斷信號輸出，分辨率為2 mm.溫度計與濕度計采用AHT10芯片.AHT10是一個高精度的溫濕度傳感器，其溫度精度為0.3攝氏度，濕度精度為2%RH，AHT10通過標準的IIC接口與微處理器進行通信.光強計采用AP3216C芯片，通過標準的IIC接口與微處理器進行數據通信.

1.2接收網關

接收網關由ESP32驅動兩片SX1278組成，雙通道接收，利用WiFi上報數據.網關部分是一個非標準的LoraWan網關，本系統采用雙通道進行數據傳輸.網關最大可支持30個Lora終端設備同時進行數據傳輸.ESP32是一款低成本Tensilica LX6雙核32位微處理器，主頻為80～240 mHz，可調節，集成傳統的藍牙功能、低功耗藍牙和WiFi，擁有520KB SRAM，最大支持8 MB片外SPI SRAM，支持最大16 MB的片外SPI FLASH，擁有豐富外設接口，廣泛應用于各種物聯網領域.

2通信協議及軟件結構

2.1通信協議

Lora終端設備主要采用IIC和SPI協議.IIC協議是一種異步、低速率、串行、半雙工通信協議.有數據線SDA、時鐘線SCL及電源、地線組成.IIC總線在傳輸數據的過程中共有三種類型信號：開始信號、結束信號和應答信號.在實際使用過程中，起始信號是必需的.當IIC總線的數據線SDA和時鐘線SCL兩條信號線同時處于高電平時，規定為總線空閑狀態，此時各個器件的輸出級場效應管均處在截止狀態，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高.當時鐘線SCL為高期間，數據線SDA由高到低跳變規定為IIC起始信號，起始信號是一種電平跳變時序信號.當時鐘線SCL為高期間，數據線SDA由低到高的跳變規定為停止信號，是一種電平跳變時序信號.IIC的主機發送器每發送一個字節，就在第九個時鐘脈沖期間釋放掉數據線，由接收器反饋一個應答信號.當應答信號為邏輯電平低時，則判定有應答，當應答信號為邏輯電平高時，則判定沒有應答.當數據在IIC總線上進行傳輸時，必須保證時鐘信號的穩定，時鐘信號為高電平時，數據線上的數據必須穩定，只有時鐘信號為低電平時，才允許數據線上存在數據的變更.[4]

SPI協議是一個同步、全雙工、串行口通信協議.SPI協議擁有SCK，NSS，MOSI，MISO四根線，NSS為片選線，SCK為時鐘線，MOSI為主機發送從機接收數據線，MISO為主機接收從機發送數據線.在SPI總線上的主機必須在通信開始的時候配置并規定好生成相應的時鐘信號，在每個SPI周期內發生全雙工的數據傳輸.SPI配置時鐘極性，時鐘極性和相位共同決定讀取數據的方式.時鐘極性反轉是描述當時鐘空閑時IDLE為高電平還是低電平，參考數據手冊配置.時鐘相位決定了在時鐘跳變的第幾個邊沿進行數據的讀取，參數為第一個跳變邊沿和第二個跳變邊沿.根據時鐘極性的不同，共有四種不同的搭配方式.SPI具有高速的數據傳輸速率，靈活的數據傳輸位，不限于8位，可以是任意字節的傳輸和簡單的硬件結構.SPI的局限在于僅支持一個主設備，無應答信號，引腳多，傳輸距離短，沒有硬件糾錯.[5]

2.2系統軟件結構

軟件可分為兩個部分：LoraWan部分和NETWORK部分.設備端使用RT-Thread實時操作系統，LoraWan-EN-STACK協議棧.RT-Thread是一個嵌入式實時多線程操作系統，支持多任務、允許多個任務調度運行.RT-Thread是國產、純C語言編寫、淺顯易懂、方便移植的嵌入式實時操作系統.LoraWan-EN-STACK是應用于LoraWan設備終端的LoraWan協議棧，可實現Lora終端設備的Class A與Class C工作模式.

LoraWan網關部分需要運行NETWORK部分，主要有LoraWan協議棧，HTTP，MQTT，NTP等協議.設備端軟件見圖2.系統通過SPI總線初始化SX1278 Lora芯片，與SX1278建立通信連接，RTC實時時鐘為LoraWan協議通信提供毫秒級延時，設備獲取傳感器數據，RT-Thread通過實時定時調度將獲取的傳感器數據存入LoraWan協議棧的緩存區，定時啟動發送.

微處理器通過編碼器獲取風速計的數據，采用M法測速，通過測量單位時間內A相輸出的脈沖數量來得到速度信息.STM32自帶編碼盤接口，使用硬件技術即可讀取編碼盤的轉速.在STM32中，編碼器接口模式相當于使用了一個帶有方向選擇的外部時鐘，兩個輸入TI1和TI2為編碼器的接口，TI1FP1與TI2FP2是TI1，TI2經過濾波和極性控制的信號，計數器通過讀取TI1FP1與TI2FP2的有效變動，根據跳變的順序，產生計數脈沖和方向脈沖.通過修改TIMx_CR1寄存器的DIR位來修改計數器的計數方向.微處理器通過讀取經過三八譯碼器的干簧管信號來計算風向.八個干簧管分別對應東、西、南、北、東北、西北、東南、西南八個方位.微處理器通過一個干簧管的通斷來計算雨量計翻斗的翻動次數計算雨量.微處理器通過IIC協議讀取溫濕度、光照傳感器的數據.圖3為網關端軟件結構，網關端通過ESP-IDF搭建，上層調用WiFi協議棧、MQTT協議與LoraWan云平臺通信.ESP32移植了LoraWan協議棧，通過使用SPI總線與兩路SX1278進行通信，實現470～510 mHz兩個頻點的LoraWan通信.

本文提出了基于LoraWan的農田氣象監測系統方案，節點設備端使用國產的實時操作系統，網關端以減少通道的方式降低了整體系統的搭建難度，降低了整體系統功耗和開發成本，具有一定的理論與實踐意義.

參考文獻

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[2]陳志宏，王興安.LoRa在電力行業典型應用與問題探討[J].長江信息通.2021，34（5）：87-91.

[3]王鵬，劉志杰，鄭欣.LoRa無線網絡技術與應用現狀研究[J].信息通信技術.2017，11（5）：65-70.

[4]周飛，李錚，高萬明.嵌入式防疫識別系統設計[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版.2021（2）：30-33.

[5]陳木生，盧文杰，曾永西，等.防堵塞雨量實時監測系統設計[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2021，（2）：34-36.

編輯：琳莉