【《基于单片机和远距离无线通信模块的数据采集系统设计》9000字】

[9]。1.2研究背景及现状远距离无线通讯技术（LoRa），与其他无线手段比较，该项技术的优势相比于传统的无线射频通信它在同样的耗能的情况下通讯距离更远。LoRa中集成了预纠错编码，数字信号处理和数字扩频技术，并提供了过去从未达到的性能。在此之前，这些技术仅集成到高档的工业无线电通信中，但是伴着LoRa这一技术的援用，在内嵌无线通信这一方面仅应用于高端工业场景的情况已经发生了彻底改变。LoRa能够在很宽的射频频谱范围内发送低容量数据。即使噪音很高，LoRa也会从容应对。配置LoRa调制解调器后，可覆盖范围大于ZigBee。基于这项技术的功能和实际可行性，它将促进物联网的广泛使用。截止到目前，就LoRa一方面从技术层面来说，在室外的应用较多，比如说抄记水，电表表，农业中的家畜跟踪和烟雾感应等。而另一方面LoRa也开始向室内拓展它的应用，相信在未来LoRa在室内场景的使用将具有更加安全，更加稳定以及覆盖面更广的优势。物联网的大规模应用将提高工作效率，降低生产运行成本，实现节能减排，加速人类文明进，实现人与自然和谐发展REF_Ref23115\r\h[5]。1.3国内外发展状况LoRa行业生态系统正在变得越来越多样化，并且生态范围仍在扩大。近些年来，互联网权威与电信运营商的参与使生态扩圈这项工作进展更快。除了这些巨头之外，LoRa产业链中还建立了一些小型创新企业和公司。与LoRa相关的应用变得越来越丰富，并且它的应用已拓展到越来越多的领域。在开拓LoRa使用场景的初期，主要应用范畴聚集在电表，水表，气表的数据抄写上。但是，LoRa并不仅限于通过读取仪表来完成简单的任务。在过去的几年中，LoRa已开始涉足到更多的领域，这就促使了许许多多应用案例出现，尤其是在B端行业，例如电力和能源，智能建筑，军事，公共安全和其他行业。目前，LoRa技术正逐渐向室内应用领域拓展，这将会是LoRa最使人憧憬的应用领域。Lora行业生态非常开放，其中最重要的是芯片和平台连接。LoRa生态系统包括各种业务领域和规模的其他公司，这是其生态开放性的体现。在芯片方面，LoRa芯片的垄断被认为是控制Lora在中国快速发展的关键因素，因此，Lora芯片制造商也为芯片IP识别开辟了道路。至于平台，一些物联网平台已开始向第三方门户网站和访问网络开放，并可以快速连接大型门户网站，模块和传感器。通过这些平台级供应商的努力，将促进开放产业链的过程。LoRaAlliance™是支持LoRaWAN™的全球企业协会，自2015年该组织成立成立以来，LoRa联盟就已成为科技行业规模最大，发展最快的联盟之一。联盟中的成员紧密合作并分享经验，以推动LoRaWAN在全球的发展，并为物联网供应安全的企业级的LPWAN连接。LoRaWAN已部署到全球主要的移动网络，可以连接100多个国家或地区。当前，运营商有83个，全球LoRa网络覆盖到了100多个国家，这些包括运营商，网络运营商和独立私人组织使用的网络。该网络覆盖美国，加拿大，巴西，中国，俄罗斯，等地区。在中国，我们看到例如智慧城市，智慧家庭和智慧农业。第2章基于LoRa通讯模块的数据采集系统设计2.1数据采集系统的依据使用物联网相关技术来收集信息是物联网的一种常见用法，物联网使用通信技术把人与物相关联，并可以把识别，放置，跟踪，监视和控制物与物之间的关系智能化。根据采集用电器的设备受限于配网覆盖区域等因素，因此本设计打算采用具有更低功耗的超低功耗广域物联网通信技术，而LORA和NB-IOT是这种技术的典型代表,本文的设计选择使用的是LoRa无线串口模块，与其他通讯手段相比传输距离更远、所消耗的能量更低、模块体积更小，能够实现省电且可靠的遥远距离通信。2.2系统功能设计设计主要由数据采集、物联网络、监控平台三个部分组成。监控平台主要是由主机软件实现，能够接收到模块传来的数据，物联网络主要采用LPWAN中lora模块建立无线连接网络，数据采集主要是通过电量计量模块来对用电器进行的电流和功率进行数据采集工作。图2-1系统功能框图2.3系统结构设计数据采集系统的设计，结构的简单设计利用两个lora模块组成一个区域网络，每个lora可通信的距离为3000米左右，三个模块能够互相通信，其中一个模块是连接上位机，让上位机与其他连接在传感器模块进行通信。图2-2系统结构2.4主要采集方式该数据采集装置主要使用JSY-MK-211单相AC/DC测量模块和家用220V插座，这一款单相交流或单相直流测量模块可以准确地测量单相交流电源的电压，电流，功率，功率因数，功率和总量以及其他电气参数。该模块方便可靠地连接各种自动抄表系统，该模块与其他数据采集装置相比，模块体积更小，模块重量更轻。有1个通信接口，1个可选的晶体管-晶体管逻辑电平接口，MODBUSRTU通信协议等特征。JSY-MK-211单相交流和直流计量模块可用于节能，电力，电信，铁路，运输，环保，石油化工，钢铁等监控交流电压，电流和功耗的场景之中，在行业中广泛使用。

第3章基于LoRa通讯模块的数据采集系统设计硬件设计STM32F103C8T6最小系统板介绍STM32F103C8T6最小系统板的外观尺寸相对较小，可以节省电路板的使用空间。该系统板使用方便灵活，整个系统板上除了晶振元件以外的IO口都有引出，而且GPIOA\GPIOB的IO依次引出，对于第一次使用的该单片机的用户相对好上手，且烧录程序的操作步骤简单易懂。最小系统板的资源及其广泛，能够充分利用。质量过硬，具有人性化的设计。每个接口标了相应的信息，使用时清楚方便。图3-1最小系统板原理图3.2LoRa通讯模块简介LoRa模块是LPWAN中具有代表性的模块之一，Lora无线串口模块体积小巧灵敏度高，低功耗能够省电等特点，将LoRa模块和ST32F103C8T6最小系统板焊接在万用板上，并利用焊锡和导线进行连接模块在进行测试。图3-2LORA模块引脚图配置时MD0引脚需要连接，若MD0时悬空状态时则进入通信模式。表3-1显示MD0和AUX引脚具有基本功能，例如软件更新和参数设置。MD0和AUX外壳具有各种功能,当激活LORA模块时，AUX引脚处于输入模式。如果MD0引脚和AUX引脚同时为“逻辑1”电平并持续一秒钟，则模块进入固件更新模式。否则AUX进入输出状态模式，这样就可以进行通信。表3-1LORA引脚功能表序号名称引脚方向说明1MD0输入配置进入参数设置上电时与AUX引脚进入固件升级模式2AUX输出输入用于知识模块工作状态，用户唤醒外部MCU上电时与MD0引脚配合进入固件升级模式3RXD输入TTL串口输入，连接到外部TXD输出引脚4TXD输出TTL串口输出，连接到外部RXD输入引脚5GND地线6VCC3.3V-5V电源输入3.3RS485模块RS485模块是一款用于进行点对点的通信模块，它在本文的设计中用于计量模块与单片机的通信，将电压计量模块的“A”“B”端口与RS485模块的“A”“B”端口连接，再将DI,DE,RE和R0引脚和单片机连接，就可以实现通信，模块引脚图如图所示。图3-4RS485模块引脚图一个主机带动多个从机的方式是RS485通信网络中最常用的方式。表3-7为RS485模块的引脚功能表，说明了各个引脚的作用。表3-7RS485引脚功能表序号名称说明1RO接收数据的TTL电平输出2RE低电平有效的接收允许3DE高电平有效的发送允许4DI发送数据的TTL电平输入5VCC电源端，接入5V电压为模块供电6B485差分信号的反向端7A485差分信号的正向端8GND接地端3.4JSY-MK-211型单相交流计量模块JSY-MK-211型单相交流计量模块（如图3-5所示）是一款用于测量单相交流电网之中的电压、电流及功率等电参量的数据采集模块。一路TIA-485-A通讯接口、一路晶体管-晶体管逻辑门电路（可选）、MODBUS-RTU通讯协议被放置于该模块内部方便与各种AMR自动采集系统进行联结。图3-5JSY-MK-211型单相交流计量模块实物图该单相交流计量模块虽然内置了一个RS485模块，但是本次设计中额外使用了一个RS485模块与其进行连接，为的是提高系统的可性。我还在计量模块上接入一个插排，用电器插入插排，计量模块就可以读取用电器的电压和电流的数据，JSY-MK-211型单相交流计量模块的引脚如图所示。图3-6JSY-MK-211型单相交流计量模块引脚图3.5JK-E011路3.3V继电器模块-易驱型该模块是利用一个继电器来实现控制功能，所使用的原理是利用较弱的电压控制较强的电压，本文的设计把此模块设置为“逻辑0”电平触发，标有5V和GND的排针是继电器5V电源的正极和负极，CH1控制端口通过高电平触发，当模块上电后，控制端口收到高电平作用时继电器开始工作，模块引脚图如图3-6所示。图3-6JK-E011路3.3V继电器模块-易驱型引脚图该模块可作为单片机的开发模板，也可以用作家电控制，具有性能稳定，驱动能力好的优点以及具有人性化的设计。所有接口均可通过接线端子直接连线引出，使用时清楚方便，如图3-7所示。图3-7JK-E011路3.3V继电器模块-易驱型端子图3.6ATK-ESP8266-串口转WIFI模块ESP8266是一个具有完善且自成一体的无线网络处理方案，该系列的模块支持STA工作模式，AP工作模式以及STA+AP工作模式与一键配网模式，内置完整的传输控制协议或网际协议。通过ESP8266模块将数据上传到手机APP上，可以通过移动端查看采集到的数据，图3-8是该模块的引脚图。图3-8ATK-ESP8266-串口转WiFi模块引脚图STM32单片机配置USART使用的PA8和PA9引脚要和ESP8266串口转WiFi模块中的TXD、RXD引脚反过来接，不然会出现数据发送不出去的错误。表3-8说明了该模块各个引脚的功能。表3-8ESP8266引脚功能表序号名称说明1VCC电源（3.3V~5V）2GND电源地3TXD模块串口发送脚（TTL电平，不能直接接RS232电平！），可接单片机的RXD4RXD模块串口接收脚（TTL电平，不能直接接RS232电平！），可接单片机的TXD5RST复位（低电平有效）6IO-O用于固件烧写模式，低电平是烧写模式，高电平是运行模式（默认状态）3.7OLED显示屏模块OLED显示屏是一款具有自发光、不需要背光源、对比度高的邮寄激光显示模组，该显示屏模块相较于LCD功耗更低，更加适合小系统板来使用；该模块既可以使用3.3V电源供电也可以使用5V电源供电，操作方便，显示功能丰富。图3-9OLED显示屏模块OLED显示屏模块显示的原理是依赖于内部的一个CMOS提供的，这个CMOS提供一块128*64bit大小的显存。它的工作原理是在单片机的内部建立一个缓存，在每次修改动作时，仅仅只修改单片机上的缓存，在修改完成后，单片机上的缓存数据被一次性写入到 液晶显示模块的图像寄存器中。表3-9说明了该模块各个引脚的功能。表3-9OLED引脚功能表序号名称说明1GND接地端2VCC电源端，接入3.3V或5V电压为模块供电3D0SPI接口时为SPI时钟线，IIC接口时为IIC时钟线4D1SPI接口时为SPI数据线，IIC接口时为IIC数据线5RESILED复位、OLED在上电后需要复位一次6DCSPI数据/命令选择脚、IIC接口时用来设IIC地址7CSOLEDSPI片选、低电平有效、如不想用必须接地

第4章基于LoRa通讯模块的数据采集系统设计软件设计4.1编程软件介绍软件设计所使用的是MDK-ARM，该软件是来自于美国KeilSoftware公司，该系列的软件目前在中国的用户有80%以上是软硬件工程师。本设计所使用的版本，能够对MDK3、MDK4等版本进行向下兼容，MDK工具和软件包组成了MDK-ARM。图4-1MDK5结构MDK工具由两大部分组成，它们分别是：MOK-Core和ArmC/C++编译器。软件包由三个部分组成，它们分别是：芯片支持、微控制器软件接口标准和中间库。4.2主程序设计主程序图如图4-2所示，当芯片开始工作时，第一步需要进行的工作就是进行系统初始化，接下来就是数据采集模块通过采集用电器的电流和功率，发送到单片机中进行编译，然后将数据发送到LoRa通讯模块，最后通过OLED屏幕显示出来。单片机将数据发送至ESP8266模块，模块接收数据后会以每秒一次的频率上传至手机APP上，用户可以通过手机连接ESP8266模块提供的WiFi，打开专门的APP查看数据。+图4-2主程序流程图4.3数据采集模块的软件设计数据采集电路得电后，采集模块的指示灯开始闪烁，再将连接采集模块的插座接上220V电压，然后在插排上插上用电器，这时，模块就会开始读取用电器的电流和功率，然后模块进行反复采集数据工作，流程图如图4-3所示。图4-3数据采集程序流程图4.4RS485模块的软件设计RS485得电后，模块进行初始化操作，之后开始从数据采集模块中采集到的数据，数据读取完毕后，RS485模块就会将数据打包，发送到STM32单片机中。图4-4RS485模块的程序流程图4.5LoRa通讯模块的软件设计LoRa通讯模块是定时（预设1000ms）发送数据采集模块采集到的数据，通过一个LoRa通讯模块进行发送，另一个LoRa通讯模块进行接收工作，这样就可以实现远距离通讯的功能，流程图如图4-4所示。图4-5LoRa通讯模块程序流程图4.6显示系统的软件设计显示系统是直接将数据显示出来，将数据采集模块所采集到的用电器的电流和功率以数据的方式呈现出来，OLED显示屏模块连接STM32后，模块得电后进行初始化操作，单片机将编译后的数据发送到显示屏模块，最后显示屏模块把单片机发送过来的数据显示在屏幕上，流程图如图4-5所示。图4-6LoRa通讯模块程序流程图4.7监控系统的软件设计监控系统使用了局域网这一传播媒介，该模块提供一个独立的WiFi，手机通过连接WiFi，通过局域网将采集到的数据上传到手机APP上，最后通过专门的APP可以查看数据。APP界面简洁明了，操作方便。该模块只具有数据传输功能，没有参与数据处理。数据通过模块读取之后，将数据包以每秒一次的频率传输给手机APP，用户就可以通过手机APP查看到用电器的电压，电流和功率这些参数。监控系统的软件流程图如图4-6所示。图4-7监控系统的软件流程图

第5章系统的测试及结果5.1硬件调试5.1.1STM32F103C8T6最小系统板与LoRa通讯模块的调试如图5-1所示lora模块与STM32F103C8T6最小系统板的连接图，其中lora模块为逻辑门电路模块，需要和逻辑门电路电平的微控制单元连接，Lora模块VCC引脚所需的电平是3.3V到5V之间。图5-1电气连接图STM32与lora模块连接关系如表5-1所示，MD0引脚需要根据不同的功能进行不同的连接方式。当LoRa模块通电后MD0悬空是就是通信进入无线通信功能。表5-1引脚连接ATK-LORA-01无线串口模块与最小系统板的连接ATK-LORA-01无线串口模块VCCGNDTXDRXDAUXMD0STM32最小系统板5VGNDPA3PA25.1.2JSY-MK-211型单相交流计量模块的调试当模块通电后，指示灯开始以3s一次的频率进行闪烁，表示该模块正常工作。当连接模块的插排通电后，模块通过表5-1所示的寄存器地址读取数据，在进行16进制转10进制的换算并按照表中所示的公式进行计算，最后将数据显示在显示屏上。表5-2交流测量电参数寄存器和通讯数据表（功能码03H,只读）序号定义寄存器地址读/写数据类型与计算说明1电压0048H读无符号数，值=DATA/100，单位V2电流0049H读无符号数，值=DATA/1000，单位A3有功功率004AH读无符号数，值=DATA，单位W计量模块的实物如图5-2所示，当插排接入用电器时，用电器的电流和电功率就通过OLED显示模块显示在主机和从机屏幕上。图5-2工作中的计量模块5.1.3RS485模块的调试RS485模块与单片机连接时（如图5-3，图5-4所示），接收器的输出端和单片机的PA10相连，驱动器的输入端与单片机的PA9相连即可。RE为接收的使能端，DE为发送的使能端，当模块的RE引脚收到低电平型号时为接收模式，当模块的DE收到高电平信号时为发送模式。由计量模块采集到的数据，将通过此模块的通讯协议（如表5-3所示）发送到STM32单片机中。表5-3通讯基本参数编码8位二进制数据位8位奇偶校验位无停止位1位错校验CRC（冗余循环码）波特率2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s可设，出厂默认9600bit/s图5-3RS485模块背面焊接图图5-4RS485模块正面焊接图5.2软件调试5.2.1编程软件的调试软件调试方面，使用KeiluVision5这一款软件进行调试，由于编写程序的方法和C语言类似，所以写起来相对好掌握，在调试过程中，软件会对你的语法错误做出提示，程序完成之后，按下软件的Rebuild键，软件就开始进行编译，编译成功后，软件就会提示，如图5-5所示。图5-5编译成功界面5.2.2显示模块的调试当只有从机通电时，OLED不会出现数据，只会显示初始化的完毕后的读数，如图5-6所示。图5-6仅从机工作时的实物图这是因为主机没有通电，主机的Lora模块没有与从机的Lora进行通讯。当主机与从机都工作时，OLED显示模块就可以进行正常的显示了，如图5-7所示。图5-7主机与从机工作的实物图5.2.3手机APP的调试手机端的监控界面如图5-8所示，手机连接上由ATK-ESP8266-串口转WIFI模块提供的无线网络，如图5-9所示，然后打开APP，点击连接按钮，就可以在无线网络覆盖的范围内查看，计量模块每秒统计用电器的数据。图5-8手机端APP界面图5-9手机端WiFi连接界面5.3ST-LINK的烧录烧录使用的STLINKV2烧录装置，如图5-10所示。将STM32的尾部标有3V3，SWIO,SWCLK,GND的排针一一对应地接到STLINKV2烧录装置尾部的排针上。图5-10STLINKV2烧录装置烧录装置连接电脑后，软件需要进行设置如图5-11所示，然后按下软件中的Download键完成程序烧录。图5-11STLINKV2烧录装置设置界面当程序烧录成功后，软件就会显示烧写成功，界面如图5-12所示。图5-12程序烧录成功界面第6章结论在科技产品迭代更新如此快速的今天，无线传输技术早已不是什么新鲜事，它已经融入到我们的生活的方方面面，小到如蓝牙、UWB和ZigBee等，大到如GPRS，无线传输技术在目前已经相当成熟。本文的设计的是基于LoRa通讯模块的数据采集系统，由以下七个模块组成；STM32F103C8T6最小系统板、LoRa通讯模块、RS485模块、JSY-MK-211型单相交流计量模块、JK-E011路3.3V继电器模块-易驱型、ATK-ESP8266-串口转WIFI模块、OLED显示屏模块。主机通过计量模块实现对用电器的电流和功率的进行采集，被采集的数据经过RS485模块发送到单片机，紧接着LoRa模块把数据通过无线传输将数据从主机发送到从机，最后通过OLED显示屏模块显示出来。从机装有一个8266模块，为手机提供一个可连接的WiFi，手机连接后，就可以打开专门的APP查看数据。本文设计的数据采集系统只能固定的对终端传输用电器的电流和功率，无法传送其他数据。其次，无法对系统进行更深入的研究和探讨，系统的功能过于单一，手机端的APP界面也过于简陋。最后，系统的无线数据传输成功率还是有待提高，通过信道传输数据容易受到干扰，存在一定的误码率。科技在发展，时代在进步，基于LoRa通讯模块的相关技术一定会随着时间不断突破。越来越多的数据采集工作更不再依赖人力，无线传输技术终将会变得原来越普及，遍布世界的各个角落。我相信，在不远的将来，无线传输中所出现的误码率问题，信号受干扰的问题将会一一得到克服。

参考文献王建华,张国钢,耿英三,等.智能电器最新技术研究及应用发展前景[J].电工技术学报,2015,30(9):1-11.邹积岩,刘晓明,于德恩.