基于 LoRa 的温湿度监测节点设计

引 言

物联网技术的发展给人们的生活带来了极大便利，而在环境控制技术中，物联网技术的应用也带来了多种多样的方案。无线传感网络技术在温湿度控制中最早开始运用 [1]， ZigBee[2-3]，3G[4]，WiFi[5]，FPGA[6]等技术都已有各种解决方案。LoRa[7-10]作为新兴无线通信技术有着明显优势，并已在许多领域中展开应用。

本文设计了一种车间环境温湿度监测节点， 可通过LoRa无线通信技术传输数据实现对车间环境温湿度变化的实时监测，对异常环境状况作出及时应对，为车间生产提供一个安全稳定的环境。

1 监测节点结构设计

监测节点的功能包括监测车间环境温湿度，在温湿度超出预设范围时报警，实时将所采集到的环境温湿度数据通过LoRa 网络传输给上位机。监测节点整体结构分为 9 个部分， 即控制芯片 MSP430F169、LoRa 模块、UART 接口、温湿度传感器模块、报警电路、电源模块、时钟电路、复位电路以及 JTAG 接口。整体结构框图如图 1 所示。

图 1 监测节点结构框图

MSP430F169 单片机与时钟电路以及复位电路构成该单片机的最小系统。LoRa 模块用于通过 LoRa 网络发送和接收数据。通过 JTAG 接口电路，可将程序写入 MSP430F169 单片机中，用于功能调试与设备维护。温湿度传感器模块负责检测环境中的温湿度信息。报警电路在环境信息超出阈值时， 由控制芯片控制报警。UART 用于实现与手持设置器之间的通信。电源电路提供所需的工作电压与电流。

2 硬件电路设计

2.1 MSP430F169控制电路

基于监测节点应具有采集并处理环境温湿度模拟量、布置简单、功耗低等要求，选取 MSP430F169 单片机作为控制芯片。监测节点控制电路由控制芯片 MSP430F169 单片机、时钟电路、复位电路以及 UART 接口组成。控制电路原理图如图 2 所示。

2.2 LoRa通信模块

LoRa（Long-Range）作为低功耗广域网的代表技术之一， 是由美国 Semtech 公司推出，专门面向物联网应用的无线通信技术。LoRa 使用非授权频段，可自由搭建不受限制，适用于低成本需求的应用。LoRa 与 ZigBee，Bluetooth，WiFi 以及 GPRS 等无线网络通信技术相比，具有距离远、功耗低、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。

LoRa 通信模块用于实现监测节点与上位机的网络通信， 本文设计选取 E32-TTL-100 型号。LoRa 通信模块由STML151G6 最小系统、SX1278 射频芯片、发射电路、接收电路、射频开关及 SMA 天线组成，其结构如图 3 所示。

此 LoRa模块具有低功耗特性与休眠功能， 即当模块工作于模式 3时，无线收发模块关闭，模块工作电流只有2μA，但仍能接收控制芯片传来的配置数据。发射信号时，发射电流约为 110mA，额定工作电压为 2.3～5V，本文设计拟定工作电压为 3.3V。该模块还具有自动跳转信道与地址功能，不同信道的模块之间可实现相互收发，利用此点可实现更便捷的网。

LoRa 模块的引脚功能 ：M0 和 M1 用于设置模块工作模式 ；RXD 引脚连接 MCU 的 TXD 引脚作串口输入 ；TXD 引脚连接 MCU 的 RXD 引脚作串口输出 ；AUX 引脚指示模块工作状态 ；VCC 接电源 ；GND 接地线。LoRa 模块接线图如图 4 所示。

2.3 温湿度传感器模块

由于车间环境的复杂与多样，需选用测量范围大，对工作条件不敏感的温湿度传感器，故选用数字温湿度传感器HTU21D。该传感器温度测量范围为 -40 ～ 125 ℃，湿度测量范围为 0 ～ 100 %RH，供电电压范围为 1.5 ～ 3.6 V，本文设计采用 3.3 V 电源供电。HTU21D 温湿度传感器具有精度高、测量范围大、尺寸小、功耗低、性价比高的特点，不仅输出方式多样，工作电压范围也较宽，适合低功耗、小体积的应用设计。其电路连接图如图 5 所示。

3 软件设计

监测节点软件设计通过 IAR 开发环境和Keil 开发环境完成，程序利用 C 语言编写。监测节点正常工作时，先进行初始化，MCU 读取温湿度传感器数据，判断是否符合预设范围。若超出范围，则产生环境异常信号，控制报警电路报警，并通过 LoRa 模块发送至上位机。当检测到异常环境信息时，持续读取传感器数据，反复判断，在环境恢复正常时及时恢复节点工作流程。若数据未超出预设范围，MCU 产生环境正常信号，并且检查报警电路是否报警。若处于报警状态则及时关闭，未报警则定期发送环境正常信号， 之后延迟一段时间再重新读取温湿度传感器的数据。

4 实验结果

4.1 温湿度采集实验

实验过程选用专业医用温湿度计与本文设计的监测节点对照进行。其中，监测节点采用外部 9 V 直流电池供电。两组实验同时于实验室环境下进行，时间为 2018 年 4 月 26 日。 表 1 为部分实验数据。

从实验结果可知，监测节点监测的结果与人工监测结果基本一致，本文设计的温湿度采集功能达到了要求。

4.2 LoRa 网络传输实验

实验采用 CRC16 数据检验算法进行验证，统计发送的数据帧，接收端统计成功接收的数据帧，计算丢包率。实验采用点对点通信方式。本文设计采用的 LoRa 模块发射功率为 0.1 W，标称覆盖范围为 3 km，实验测量范围约2.7 ～ 2.8 km，丢包率不超过 4%。考虑到车间环境更为密集与复杂，预计合理工作范围为 2 ～ 2.5 km。监测节点通信功能符合预期要求。

5 结 语

本文设计了一种以 MSP430F169 为主控芯片，采用HTU21D 数字温湿度传感器，通过 LoRa 进行数据传输的车间环境温湿度监测节点。通过采用 LoRa 无线通信技术与新型温湿度传感器，在满足高精度与低功耗特性要求的同时，弥补了传统无线通信技术范围小的缺陷，可适应更复杂广阔的环境，有效提升车间环境控制水平。