基于LoRa 的智慧工厂环境监测系统的设计

宋振雷，吴冬燕，张卫星，薛福霞

（1.苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州，215104；2.苏州工业职业技术学院机电工程系，江苏苏州，215104；3.国网（北京）综合能源规划设计研究院有限公司，北京，102600）

0 引言

自“智慧地球”理念出现后，IBM 利用其技术优势推动该理念的落实，因此不断涌现出“智慧工厂”、“智慧交通”、“智能家居”等理念。在德国“工业4.0”、美国通用电气“工业互联网”概念等计划的推动下，智慧工厂便颠覆以人力、非智能机械为主的传统工业体系。因此产生工厂高度自动化的生产。本文主要研究了智慧工厂中对于环境的监测。选取了STM32 系列单片机作为节点的主控MCU，STM32L053R8T6 可以轻松的于各类传感器、电子元件、拓展模块进行结合，同时拥有出色的低功耗特点，通过研究调查，本文选取了LoRa 作为无线通信方式，LoRa 使用的星状拓扑，可以达到灵活组网的目的，同时可以极大的降低功耗，通过网关与物联网平台的连接与配置，从而可以在平台上检测到环境数据的变化。

1 总体设计方案

基于LoRa 的智慧工厂环境监测系统由STM32L053R8T6 作为节点核心控制板，环境监测、数据处理、调用LoRa 传输都由它来集成控制。将监测环境的传感器数据反馈到核心控制板上，再由控制板将数据进行处理转化为可以通过LoRa 发送到网关的数据流，数据流经由网关发送到物联网平台，通过配置与处理，在物联网平台上便可以观测到相应的数据。具体流程如图1 所示。

图1 总体设计流程图

2 硬件电路设计

本文选用的STM32L053R8T6 型号单片机，作为底层节点，连接传感器、按键、LED、LoRa 模块，引脚充足。同时该芯片是具有突破性性能、真正超低功率型的微控制器。以测量温湿度及光照度的节点为例，硬件电路设计主要包括电源模块连接电路、LED 显示电路、按键控制电路、温湿度传感器连接、光照度传感器、LoRaWAN 通信模块。下面对上述的电路进行说明。

（1）电源模块连接电路

电源方面我们使用了TPS63020 芯片，该芯片输入电压范围大，可以调节输出电压，同时可以选择省电模式，符合该系统的低功耗要求。该芯片带有过热和过压保护，关断期间负载为断开状态。为了给芯片及连接的模块稳定的供电，可以使用三节干电池供电，并通过对外部的电阻分频器编程，使输出电压稳定在3.3V。

（2）LED 显示电路

LED 显示电路由4 个LED 组成，可以直观的显示节点所处的状态。这组LED 采用了共阳极的接法，另一端连接在芯片的PC0-3 四个O 口，并在LED 与电源之间加装了100Ω 的电阻，防止电流过大导致击穿。当需要使LED 发光时，仅需要给对应的O 口低电平即可。

（3）按键控制模块

按键控制模块是为了可以方便的调节节点，在按键与电源之间加装了10k 电阻，防止按键按下时，电源与地短接发生短路。在电阻与按键之间，我们引出了一个引脚，接在芯片的PC7 和PC8 上，当按键按下，芯片接收到低电平，反之接收到高电平，由此可以判断按键是否按下。

（4）温湿度传感器

考虑到工厂内的恶劣环境及该设计对低功耗的要求，我们使用了HDC1000 温湿度传感器。该芯片湿度工作范围在0%至100%，误差仅在±3%，温度工作范围在-40℃至+125 摄氏度，精度在±0.2℃。休眠状态下电流仅为200nA。可以超低功耗提供出色的测量精度。其封装的特殊性使其免受灰尘粉尘及其他污染物的影响，极其适合在工厂的恶劣环境下运行。该芯片的SCL 脚与SDA 脚接入到芯片的PB6 和PB7 脚，DRDYn 脚接入到芯片的PC9。

（5）光照度传感器

经过对工厂的考察，一些工厂内有多种原材料不可强光直射，所以该节点加装了光照度传感器，该传感器使用的OPT3001 环境光传感器，运用了紧密的光学滤波，可阻隔百分之九十九的红外线，测量范围较广，同时可以低电流低电压运行，适应较为恶劣的工业生产环境中使用，中断系统也极为灵活。该芯片使用I2C 总线，SCL 和SDA 端与温湿度传感器相同，接入到PB6 和PB7 脚。中断引脚INT 接入到PC13。

（6）LoRaWAN 通信模块

LoRaWAN 通信模块使用的是LSD4RF-2F717M91 透传模块，通过串口与用户端通讯，采用LoRa 调制技术达到无线收发数据的方式，具有可靠性高、抗干扰性高、性能高的特点。该模块工作电压在3.0-3.6V，工作温度-40-85 ℃，在休眠模式下工作电流小于10μA。该节点在空旷环境下，通讯距离在5km，由于使用的贴片模块，我们需要在射频出口到天线反馈点按照50Ω 阻抗匹配原则布线。

3 软件程序设计

本设计的所有程序是在IAR for ARM 进行编写。该程序内包含串口调试程序设计、传感器驱动的调用、整体程序的逻辑设计。

（1）串口调试程序设计

为了方便安装入网，我们编写了串口调试部分的程序，当设备第一次上电时，设备与网关并未进行配对，通过串口，我们可以输入网关的设备号、节点自身的设备号以及物联网平台的APIKEY，这样节点才能与网关正常通信，物联网网关才能接受到节点的信号。设备的自检也是必不可缺少的部分，当自检开启，节点会将实时的传感器数据、设备号、所连网关的设备号、物联网平台的APIKEY 在串口打印下来，以便我们检查。为了实现低功耗的功能，在串口调试中，可以调节至低功耗定时发送模式，在程序中，在定时发送模式的基础上增加了系统低功耗处理，发送过程中和等待发送的过程中都会进行相应的休眠。可以达到极低的功耗。

（2）传感器库的调用

传感器采集的数据为模拟量，一些传感器内部会将模拟量转化为数字量，但主控芯片不可以直接将这些数据的转化为我们所熟知的十进制数据。所以必须引入驱动文件，我们会对驱动文件进行一些相应端口的修改，使其符合我们的接线规则，同时驱动文件会对采集的数据进行处理，在程序输出时便可以得到易于明白的数据。

（3）整体程序的逻辑设计

整体逻辑保证系统的正常运行，在该程序逻辑中，首先经过用户的调试后能否通过自检，自检不通过，则需要再次调试，若通过，便开始运行。运行期间大部分时间是处于休眠状态，当唤醒时间到，则进行环境数据采集及自身电池电压采集，将数据上报，若有异常，则增加报警数据，并将数据上报，上报结束后，继续进行休眠。具体流程图如图2 所示。

图2 整体程序逻辑设计流程图

4 物联网平台设计

物联网平台是将所有节点数据汇总的平台，在这里，用户可以直观的监测到所有节点的数据。同时拥有一些便捷的功能，下面将一一介绍。

（1）设备基本信息系统

在该平台上用户可以看到所有设备的上线数据，未上线的设备可以直观的看到，通过工单系统可以为负责该区域节点的工作人员下发维修工单。同时，每类设备对应一个图标，设备的异常状况会在图标上进行醒目的提示。点击图标会进入该类设备的详细信息处。

（2）工单系统

平台中，可以将工厂设备与员工绑定，从而方便工单系统的使用，当节点出现数据异常、上线异常时，可以向员工发放任务工单，去指定地点进行检查维修，保证了高效率与生产环境的高安全性。

（3）数据统计系统

图3 硬件电路

在平台中，用户可以选择任意一个设备，使用柱状图或折线图来直观的监测一段时间内的数据变化，同时可以以图或表的方式下载至PC 中打印，方便工厂内的数据汇报。

5 结论

本系统主要涉及是通过STM32 核心板进行控制，通过LoRa 进行无线通信。主要涉及到了各个模块之间及节点与网关平台之间的数据通信，同时也包括了设备休眠算法设计，主要是为了适应工厂内长时间的运行，减少节点的电源更换。运用了物联网平台系统使得环境数据的监测更加方便快捷，避免了人工监测速度慢、易出现误差的缺点，从而实现工厂内环境的高效率，低误差的监测，为工厂内的生产加工提供了环境保障。