一種基于LoRa 的防冰雹無線通信模塊設計

孫宇航，楊延寧，2，余知樸，2，李 雪，杜永星

（1.延安大學物理與電子信息學院，陜西延安 716000；2.陜西省能源大數據智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000）

近年來，冰雹天氣頻繁發生，對果樹樹體、樹枝、樹葉、果實造成不同程度的破壞，如樹體砸傷、樹枝折斷、果實脫落等，給種植戶造成極大的經濟損失[1]。突發惡劣冰雹天氣不但造成果樹當年減產，也對今后3～5 年的產量非常不利[2]。而目前市場上僅有一些非智能化的簡易防冰雹設備，例如防雹網就是其中一種。由于冰雹天氣發生的不確定性和突發性導致傳統防雹網只能長期搭建在果園上方，防雹效果很不明顯，且長期搭建在果樹上空對果園內的環境及果樹有明顯的影響。因此一系列防冰雹裝置應運而生，在此背景下，該文設計了一種應用于智能防冰雹裝置的無線通信模塊，應用該模塊后裝置能夠對氣象信息做一系列智能化的數據采集、數據分析、數據傳遞，以達到遠程實時監控的目的，使得智能防冰雹裝置在基本的智能化防冰雹的基礎上同時還能夠對果園內的環境進行檢測，讓智能防冰雹裝置的功能更加智能、全面[3-4]。

1 系統總體結構設計

該文設計的無線通信模塊能夠適用于自動防冰雹裝置，能夠對果園所處地理位置的氣象數據進行實時檢測與采集，最終通過LoRa 無線傳輸技術將數據發送到云服務器終端，云服務器終端對數據進行分析與處理，然后對比閾值發出預警以防止突發惡劣的氣象環境對果樹的生長、果實的產量造成損害，從而盡可能地減小對種植戶造成的經濟損失，方便人們對果園進行智能化管理[5]。數據采集系統由溫濕度傳感器DHT11、主控器STC89C51 兩部分組成[6-7]，能夠實現對果園內溫度和濕度的采集功能。數據的收發系統由兩個LoRa 無線通信模塊及GPRS 模塊兩部分組成[8-9]，接收端的LoRa 無線通信模通過GPRS模塊將所接收到的數據發送給云服務器，實現遠距離的傳輸與監測。如果氣象數據值超過所設置的閾值，則數據接收系統內部的報警模塊將發出警報聲警示[10-12]。圖1 所示為系統整體架構圖。

圖1 系統整體架構圖

2 主要模塊電路的設計

2.1 溫濕度采集系統設計

溫濕度的采集系統由主控制器STC89C51、SX 1262ZTR4-GC(A)無線通信模塊和DHT11 溫濕度傳感器三部分連接而成。DHT11 溫濕度傳感器與STC 89C51 兩者之間通過IIC 總線連接，SX1262ZTR4-GC無線通信模塊和STC89C51 主控元件的通信方式是通過串口進行的。SX1262ZTR4-GC(A)無線通信模塊對于數據的發送與SX1262ZTR4-GC（B）無線通信模塊數據的接收原理相同，均采用中斷的方式進行收發。

其中DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它里面含有一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，可以與STC89C51RC 系列兼容0851 內核的單片機相連接。

圖2 DHT11溫濕度傳感器的電路原理圖

DHT11 溫濕度傳感器具備抗干擾能力強、反應快、性價比高，對于溫濕度的采集具有很高的可靠性和穩定性等優點。另外DHT11 溫濕度傳感器件采用的是單總線通信，即只有一根數據線，它需要外接一個約5 kΩ的上拉電阻[13]，以防止序列出現混亂，若出現混亂則不會產生響應，系統對果園內溫濕度數據的交換、控制都是由單總線來完成。圖3 為溫濕度采集系統的軟件設計流程圖。

圖3 溫濕度采集系統的軟件設計流程圖

2.2 LoRa無線通信模塊設計

該系統選擇使用SX1262ZTR4-GC 無線模塊，這款無線通信模塊是基于SEMTECH 射頻集成芯片的SX126X 下的其中一款射頻模塊，其是一款高性能物聯網無線收發器，它最大的特殊性就是使用LoRa 調試方式，能夠大大地增加通信距離。它具有很小的體積，非常節省空間，而且較低的能量消耗和良好的抗干擾性也是它的一大優勢[14]。圖4 所示為SX1262 ZTR4-GC 無線模塊的接線圖。

圖4 SX1262ZTR4-GC無線模塊接線圖

數據接收系統主要由STC89C51(B)主控器、SX1262ZTR4-GC(B)無線通信模塊以及GPRS 模塊三部分構成。此數據接收系統的功能是實現對溫濕度系統發送來的數據進行接收，然后將數據打包處理以后發送至云服務器終端。設計的關鍵在于保證溫濕度數據的傳輸時，可避免同一信道的干擾，因此對于溫濕度數據傳輸選擇點對點的傳輸模式，使用兩個無線傳輸系統SX1262ZTR4-GC(A)與SX1262ZTR4-GC(B)組成一個整體的收發系統，SX1262ZTR4-GC(A)與溫濕度傳感器連接，將所采集到的數據發送給SX1262ZTR4-GC(B)。當檢測到有數據接收時，SX1262ZTR4-GC(B)無線通信模塊將會對接收的溫濕度數據進行解碼及驗證，數據驗證正確后以中斷的方式進行數據接收，當接收到數據后會立馬中斷，每中斷一次，接收并保存8 位數據，最終將所有數據保存在緩沖器的同一個數據組中，數據接收完畢后，利用GPRS 模塊將所接收到的數據發送到云服務器終端[15]。一旦數據發射完畢，模塊將會自動從原來的發射狀態恢復到數據持續檢測、接收狀態，對來自于SX1262ZTR4-GC(A)無線通信模塊發送的溫濕度數據做好隨時接收的準備。

2.3 云服務器自動檢測平臺設計

溫濕度遠程監測系統平臺主要的功能是接收果園溫濕度檢測到的數據、并對接收到的數據進行存儲和分析，還可以設置溫濕度檢測數據的閾值，若超過設定值，則立即進行報警。用戶還可以在手機、電腦等設備終端上通過遠程登錄，實現對所測數據的查詢，該設計選用的是億恩云服務器作為監測平臺[16]。

1）在云服務器上使用TPC 服務來建立一個接收處理程序，用來提供接收溫濕度數據的連接。

2）通過SX1262ZTR4-GC（B），利用GPRS 模塊將所要發送的溫濕度數據發送給云服務器。

3）云服務器通過文本形式的方式將溫濕度的數據進行存儲，以方便后期的讀取。

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4）采用Web 的方式將存儲的溫濕度數據進行顯示，即創建一個apache。

5）最終形成html文件反饋給瀏覽器。

6）用戶可以通過瀏覽器打開顯示頁面，觀測最新的溫濕度檢測情況。

自動溫濕度檢測平臺軟件功能的模塊如圖5所示。

圖5 云服務器自動檢測平臺軟件功能的模塊

整個云服務器自動檢測平臺首先通過GPRS 模塊接收溫濕度數據并進行存儲，然后對數據進行整體分析，與所設置的閾值進行對比，若超過設定的范圍則發出警報，與此同時將測量結果顯示到主頁面，以方便查看，而且也可以通過數據存儲對之前的測量數據進行回看。

3 系統調試

系統整體測試地點在樓底村的果樹基地，為了得到植物最適宜的溫濕度生長環境，此次測量將整個裝置放置在距離植物根部0.3～0.5 m 的高度，同時避免植物的枝葉遮擋住測量系統，使溫濕度傳感器充分接收光照，系統整體測試主要包括以下幾個方面：

1）測量值誤差測試

溫濕度檢測數據結果如表1 所示。

表1 溫濕度檢測數據

此次試驗選取了八個時間點，分別記錄每一時刻的溫度和濕度數值，先將所有測量值求平均值，然后與實際值作差，通過計算可以得出相對誤差大約為5%，測量精度基本上能夠滿足實際測量需要。

2）網絡穩定性測試

網絡測試主要包括兩個方面：一方面是兩個無線傳輸系統SX1262ZTR4-GC(A)與SX1262ZTR4-GC（B）組成的無線收發系統的穩定性測試。通過實際檢測能夠發現，此收發系統的網絡非常平穩，收發系統有0.05～0.08 s的時間延遲，能夠達到氣象數據實時采集的要求[17]。另一方面是電信公司提供的網絡業務能否正常運行，檢測發現它的上下行網速分別為2.3 Mpbs、2.0 Mpbs，具有較好的穩定性，保證檢測時不會出現卡頓問題，能夠達到溫濕度數據傳輸過程對網速的穩定性的要求。

3）信號服務質量測試

此項目測試主要是對系統適應能力、數據的存儲分析能力、錯誤率的檢測，SX1262ZTR4-GC（A）與SX1262 ZTR4-GC（B）組成的無線收發系統與云服務器之間傳輸數據的誤碼率幾乎為0，能夠實現數據準確傳輸的目的。

4）時效性測試

無線傳輸系統SX1262 ZTR4-GC（B）通過GPRS發送溫濕度數據到被云平臺接收到需要的時間平均值大約為487 ms，這個時間間隔完全可以達到此次設計所要求的收發數據實時性的要求。

5）功耗性測試

無線傳輸系統SX1262ZTR4-GC 工作在數據收發模式下的最大功率為100 mW 左右，接收端靈敏度為-139 dBm[18]，在睡眠模式下的工作電流為0.5～1.5 μA，滿足低功耗的要求。

4 結論

該文針對智能防冰雹裝置設計了一款基于STC89C51 單片機與SX1262ZTR4-GC 無線通信模塊的溫濕度測量、數據收發系統。該系統能夠實現果園內溫濕度的測量，同時增加了SX1262ZTR4-GC 無線通信模塊，實現測量數據的遠距離收發，達到了遠程監測的目的，使得智能防冰雹裝置具有多樣化的功能，有利于果園的智能科學化管理。該設計將低功耗、傳輸距離遠、性價比高的LoRa 無線通信技術與溫濕度測量和云平臺三者有效結合起來，實現遠程數據采集與檢測的目的。通過對整體系統的性能檢測，該系統能夠很好地實現其功能，具有較強的實用性。