鄧從龍+朱成杰

摘 要：針對(duì)目前煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸距離短、功耗大、易受干擾等不足，提出了一種LoRa技術(shù)在礦井溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。詳細(xì)介紹了主要模塊的軟硬件以及低功耗設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)，信號(hào)穿透能力強(qiáng)，電池使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LoRa；溫濕度；低功耗

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無線通信技術(shù)的要求越來越高。LoRa技術(shù)一經(jīng)面世就以其遠(yuǎn)距離、低功耗、抗干擾、低成本的特點(diǎn)備受青睞。為了保障煤礦作業(yè)的安全生產(chǎn)，對(duì)礦井內(nèi)溫濕度環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測是至關(guān)重要的[1]。隨著煤礦安全監(jiān)測水平的提高，當(dāng)前煤礦安全狀況得到了明顯的好轉(zhuǎn)[2]。但是目前溫濕度環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，存在一些不足：（1）點(diǎn)到點(diǎn)傳輸距離短： ZigBee傳輸距離增加，需要通過多跳形式或者使用功率放大器來減少跳數(shù)從而來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，這增加了成本；（2）ZigBee技術(shù)使用2.4G免執(zhí)照頻段容易受到其他設(shè)備的干擾。

針對(duì)目前采用ZigBee無線通信技術(shù)監(jiān)測環(huán)境溫濕度的不足，本文提出了基于LoRa技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)礦井下遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸溫濕度。

1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是由從機(jī)模塊、主機(jī)模塊、PC監(jiān)控系統(tǒng)組成。從機(jī)模塊的溫濕度傳感器采集到礦井中的溫度與濕度通過無線方式把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)模塊，最終通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C監(jiān)控系統(tǒng)，并做相應(yīng)處理。如果監(jiān)測到數(shù)據(jù)超過閾值，節(jié)點(diǎn)就會(huì)報(bào)警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.2 節(jié)點(diǎn)與主機(jī)模塊設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)主要由STM32F103C8T6單片機(jī)、LED、Si7021溫濕度傳感器、蜂鳴器、OLED、電源模塊、無線透傳模塊SX1276組成[3]。節(jié)點(diǎn)的功能主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，出現(xiàn)異常情況并報(bào)警，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，并在OLED上顯示，報(bào)警時(shí)LED燈閃爍蜂鳴器響。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要分為節(jié)點(diǎn)獲取取與發(fā)送溫度程序以及主模塊接收程序，最終通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C監(jiān)控系溫度獲取通過getTemHum（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，溫度發(fā)送通過RFSendData（u8 *buf u8 size）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，，主模塊的接收通過RFRevData（u8 *buf）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，還有模塊的一些初始化、驅(qū)動(dòng)函數(shù)。每次數(shù)據(jù)發(fā)送完成與接收完成都進(jìn)入相應(yīng)低功耗模式，節(jié)點(diǎn)采集到溫濕度超過閾值就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序，同時(shí)在OLED上顯示溫濕度。發(fā)送與接收流程圖如圖6所示。

3 低功耗實(shí)現(xiàn)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量往往是節(jié)點(diǎn)的心臟，因此如何在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中減少能量的消耗需要解決。低功耗實(shí)現(xiàn)主要從硬件與軟件兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)[4]。

（1）硬件方面：電源模塊選用低功耗穩(wěn)壓芯片，溫濕度傳感器選用低功耗Si7021芯片

（2）軟件方面：程序運(yùn)行效率、管腳設(shè)置、MCU運(yùn)行方式以及時(shí)鐘配置是影響低功耗的主要因素。在無線傳感器器網(wǎng)絡(luò)中，功耗的損失一部分是由于通信中存在干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失需要重傳數(shù)據(jù)；另一部分是由于多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)向主機(jī)發(fā)送的過程中可能會(huì)產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致能量的損耗。分配固定的時(shí)隙，有規(guī)則的來傳輸數(shù)據(jù)可以有效的避免碰撞。.管腳配置主要針對(duì)MCU的GPIO配置，把空閑GPIO管腳設(shè)置成下拉輸入。MCU低功耗運(yùn)行方式有睡眠、待機(jī)、停機(jī)模式，其中停機(jī)模式功耗最低，任意外部中斷都可以將其喚醒，進(jìn)入停機(jī)模式只需要調(diào)用PWR_EnterSTOPMode（）庫函數(shù)即可。時(shí)鐘配置，把不用的總線時(shí)鐘關(guān)閉進(jìn)一步降低功耗。

4 結(jié)論

文中把LoRa技術(shù)應(yīng)用到礦井溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中，其信號(hào)穿透力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。該技術(shù)具有低功耗，電池使用壽命長，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)速率低。該技術(shù)不僅可以應(yīng)用到煤礦井下，還可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域例如智能家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制等。通過點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸表明了數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)穿透力強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、數(shù)據(jù)丟包率低。

參考文獻(xiàn)

[1]岳靜. ZigBee溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[J]. 煤炭技術(shù)，2011，30（1）：176-178.

[2]唐軍勝，陳靜，付敬奇，等. 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 煤炭技術(shù)，2016，35（1）：283-285.

[3]付河，羅婉霞. 基于SX1276的新能源LED路燈無線控制器[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2015，26（5）：42-47.

[4]茍全登，閆連山.基于ZigBee的低功耗井下人員快速定位系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2013，32（9）：113-114..

作者簡介

鄧從龍（1990-），男，漢，皖馬鞍山市，安徽理工大學(xué)，碩士，嵌入式、圖像處理。