【《基于LoRa无线传感网络的温湿度采集系统硬件电路设计案例》9300字（论文）】

基于LoRa无线传感网络的温湿度采集系统硬件电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16962基于LoRa无线传感网络的温湿度采集系统硬件电路设计案例 158871.1系统设计考虑因素 151851.2系统设计性能参数 2179831.3模块芯片器件选取 577841.4系统硬件电路设计 9187361.5采集节点电路设计 9302021.6网关汇聚节点电路设计 16根据系统设计时所需考虑的因素以及设计性能参数的分析，通过对主流芯片器件性能的对比最终对各个模块芯片器件类型进行选取。最终搭建以STC89C51为中央运行处理器，利用LoRa技术中的型号为SX1262无线射频芯片为纽带实现无线传感器网络组网，无线温湿度传感器对数据的实时采集，LCD1602液晶显示模块对数据的汇总及显示的系统硬件电路。1.1系统设计考虑因素1.1.1无线通信影响因素无线通信的距离远近由传输过程中信号减弱、空气对信号的吸收、外界噪声干扰等多种因素决定。增大发射功率可以直接延长无线通信的传输距离，但这种方法有个致命性缺点功耗较高。后来通过研究表明，可以运用扩频技术使得外界噪声的干扰和路径选择对传输信号失真的影响，来提高信号的信噪比[18]。影响无线通信距离和传输性能的主要有以下七种因素：（1）系统周边环境传输过程中信号通过的障碍物的多少，以及设备的电磁辐射大小均对无线通信距离的远近产生了一定的影响。（2）气侯条件与潮湿的气候环境相比干燥的气候环境，通信距离较远，在器件正常的运行工作条件下，环境温度与发射功率及信号接收灵敏度成反比，大大缩短了通信距离。（3）发射端的射频输出功率理论上发射功率与通信距离成线性正比关系，但由于实际因素的制约并不能将其无限增加。（4）接收端的接收灵敏度其值得大小与信号的获取能力和无线传感网络的覆盖范围均成正比关系[19]。因为现实应用场景存在一定的干扰及实际技术约束，其值存在上限。（5）系统抗干扰能力在现实应用场所中，信号的转换方式、信号带宽、实际电路布局等多种因素共同决定无线通信系统抗干扰能力。信号带宽与抗干扰能力成负相关。（6）软件纠错系统在软件纠错能力上，可以在一定的程度上提高通信距离但在信号传输的实时性上有一定的影响。（7）选用的天线类型及其增益天线的信号增益与通信距离成正相关。高增益的天线可以同时提高发射端与接收端的场强、信噪比。1.1.2LoRa无线模块选择因素当今时代，技术飞速发展，LoRa无线模块功能越来越强大，被各种场合所使用。下面就介绍选择LoRa无线模块需要考虑的四个要点：（1）抗干扰性强、高灵敏度抗干扰性强是LoRa无线模块的优势之一，能够在各种应用场景中使用。其采用无线扩频技术，具有高灵敏度，相比传统扩频技术其在信号接收强度、系统运行成本、芯片健壮性等方面具有显著提升[19]。（2）传输距离远在山野丛林、湖泊等复杂环境中，要求传感网络通信传输距离尽可能远。LoRa模块在无遮挡条件下可达到5公里的传输距离，能够同时解决低功耗和远距离传输这两难题，适用于各种实际场景。（3）低功耗从系统运行周期及设计成本的角度出发，LoRa模块的低运行功率对其起着举足轻重的作用[21]。（4）传输高保密性、高隐蔽性在传统无线通信技术无法工作的条件下，采用LoRa调制方式仍然可以保持系统正常运行。1.2系统设计性能参数1.2.1LoRa关键参数的设定及解释（1）LoRa数据包的组成LoRa数据包由Preamble、Header、Rayload三个部分组成[22]：图3-1LoRa数据包格式1）Preamble-前导码其是保证通信数据的接受与发送的前后一致性，其长度是可变的，可通过寄存器来设置。接收端与发送端的长度应保持一致，并定期进行检测。2）Header-传输数据包的头部根据设定相应的寄存器参数，来选取传输数据包的头部类型。显式报头模式：系统默认传输数据包的头部是此模式，其内容包括：长度、前向纠错码率等信息。隐式报头模式：为了提高信号传输效率，可以将传输数据包的头部设置为隐式模式，只需要编写相应的程序[23-25]。（2）LoRa调制解调模式LoRa调制解调技术实质是将扩频调制与CRC即循环冗余校验码（CyclicRedundancyCheck）相结合，其在无线网络范围、系统鲁棒性、信号传输准确性上均有大幅度改进[26]。（3）扩频因子（SF）LoRa无线通信技术的SF表示数据包中每个信息位发送的符号数量。表3-1LoRa扩频因子取值范围扩频因子（RegModulationCfg）扩频因子（码片/符号）LoRa解调器信噪比（SNR）664-5dB7128-7.5dB8256-10dB9512-12.5dB101024-15dB112048-17.5dB124096-20dB发射端的SF和接收端的SF之间为正交关系，所以应提前得到两端的扩频因子与信噪比的大小。当SNR为负值时，无线通信信号能够正常传输，在一定程度上提高灵敏度、降低链路成本、扩大网络范围。扩频时是传输的每一位数据与扩频因子相乘，当扩频因在越大，信号传输所需的数据量越大。LoRa扩频因子仅在值为6时，数据传输速率最快，但在系统使用之前，需要设定LoRa芯片相应的参数[27]。（4）编码率（CR）CR是数据流中有用信息占总体的比值大小，每次传输会产生相应的开销[28]：表3-2LoRa编码率编码率（RegTxCfg1）循环编码率开销比率14/51.2524/61.534/71.7544/82当外界噪声干扰时，前向纠错在一定程度上提高网络的可靠性。（5）信号带宽（BW）BW是信号传输上下限频率差值，通过扩大信号带宽来提升传输速率，但降低信号接收灵敏度。相比于传统的FSK调制方式，LoRa芯片在信号带宽上有着长足的进步，改进为全信道。表3-3LoRa带宽选项带宽（kHz）扩频因子编码率标称比特率（bps）7.8124/51810.4124/52415.6124/53720.8124/54931.2124/57341.7124/59862.5124/5146125124/5293250124/5586500124/51172（6）LoRa中的BW、Rs和DR之间存在着一定的联系符号速度Rs可以通过公式3-1计算：Rs=BW/(2^SF)（3-1）数据传输速率DR可以通过公式3-2计算：DR=SF*(BW/2^SF)*CR（3-2）（7）LoRa信号带宽、扩频因子和编码率的设定LoRaWAN是将BW设置为125kHz[29]，通过信号带宽、扩频因子和编码率的改变，从而降低网络成本，减少运输时间。（8）空中速率信号空中速率（空中波特率）是LoRa通信速率与FSK无线（在空气中的）通讯速率的比值，当发送能量相同时，传输相同的数据，空中速率越高，则数据传输速度快，数据的时间延迟小，但传输距离会变短。相应地，当空中速率低，则数据传输速度慢，数据的时间延迟大，传输距离会变长。1.3模块芯片器件选取本系统的主框架可以分为以下四个模块：传感器终端采集模块、无线通信传输网络模块、单片机运行处理模块、液晶显示模块。模块芯片器件性能的好坏直接决定着系统能否正常运行。1.1.1传感器终端采集模块选取整个温湿度采集系统，温湿度传感器是系统中的最初端，也是系统中最关键的一环。根据本系统所应用的场景，目前主要流行的是DHT11，HTU21D，SHT21D。以下为三者性能对比表：表3-4温湿度传感器性能对比表传感器型号DHT11HTU21DSHT21供电电压1.5-5V1.5-1.6V1.1-1.6V温度测量范围0-50℃-40-125℃-40-125℃湿度测量范围20-90%RH0-100%RH0-100%RH通信方式单总线I2CI2C温度精度范围±2%±3%±3%湿度延迟±1%RH±1%RH±3%RH测量时间50ms50ms50ms年漂移量0.5%RH/yr0.5%RH/yr0.5%RH/yr响应时间5s5s8s虽然从功率、测量范围、测试精度等方向，后两者比DHT11较优，但是在焊接过程中，SHT11对温度要求很高并且需要水合。因此不适合系统硬件电路的搭建。在HTU21D温湿度传感器芯片进行硬件设计时的PCB布局上，系统电源经过长时间的运行会产生一定的热量，其测量精度会受其影响。实际上，在本系统属于小型化的设计中，也无法实现较大距离的布局，因此无法保证信号完整性（SI）和电源完整性（PI）。DHT11温湿度传感器芯片，可适应电压范围广，操作十分便捷。DHT11例程多，便于程序编写开发及数据仿真。因此在温湿度传感器模块最终选取DHT11型号。1.2.2无线通信传输网络芯片模块选取现在市面上存在四种LoRa无线射频芯片：主要分两大类，一类是LoRa基站/网关射频芯片（目前只有一款：SX1301），另一类是LoRa终端射频芯片（目前有三款：SX1278、SX12786、SX1262）；两类主要区别在于终端芯片重在：低功耗和单通道；而基站和网关芯片重在支持多通道和大连接。SX1278/6是Semtech公司最早发明的一款芯片[30]。SX1262是前两者的升级版，与前两者出自同一个公司，其在性能上有着质的飞跃。三者在其在多个性能参数上有着质的不同，下文主要通过功耗、晶振电路、运行频率、信号强度及发射电流等参数进行三者的对比以及分析，以便选择合适的LoRa芯片。后者与前两者相比在芯片实际运行功率上有着很大的提升，在性能相同的前提下，仅需提供5mA与1uA，就能够完成相应的功能。三者虽然可以采用同样的晶振模式，但是后者无需添加外部电容方便用户设计，且在电脑上调整其大小。SX1278支持的频段为137-525MHz，射频发射输出引脚为第27或28，射频接收输入脚为第1脚；后者是前者工作频段的两倍，其在引脚设计上更加便捷。由此看来，可以将SX1276理解为SX1278的加强版[31]。SX1262可以在150-960MHz频率下工作，当工作频率变化时，只需调整电路参数。SX1278/6仅有一种配电方式，发射电流及功率最大值为120mA、20dBm。SX1262相比SX1278/6在发射功率及配电方式上具有改进，其有LDO以及DC-DC两种，后者的发射电流及功率最大值为118mA、22dBm。SX1278/6的接收电流是SX1262的两倍多。三者所能达到的最高接收灵敏度为-148dBm。在LoRa调制下，三者的SF与频率带宽大致相同，但是SX1262所能达到的空中传输速率是SX1278/6的两倍多。表3-5LoRa芯片性能比较芯片型号SX1268SX1278SX1262工作电压2.4~1.7V2.4~1.7V2.0~1.7V工作温度-40~85℃-40~85℃-40~85℃工作频率410~525MHz410~525MHz410~525MHz发射功耗≤120mA（22dBm）≤120mA（20dBm）≤120mA（20dBm）接收功耗DCDC：≤5mA≤14mA5mALDO：≤9mA最大发射功率22dBm20dBm20dBm睡眠电流≤2uA≤2uA≤2uA调制方式LoRa/2-FSK/GFSKLoRa/2-FSK/GFSKLoRa/FSK/GFSK通过上述的对比，可以看出SX1262在功能、芯片实际运行功率、工作频率范围、体积等方面，是目前LoRa终端射频芯片的首选。1.1.3单片机运行处理模块选取当今较为流行的微处理器主要以下三种：（1）51单片机在市面上流行的8位单片机中应用最广泛，由Intel公司研制，因组成结构和集中式管理，多操作功能及丰富的指令系统，脱颖而出。主要有3个特点：单片机中有位处理器，能够进行寄存器按位处理以及逻辑位运算。系统功能强大，用户容易操作。2）在单片机芯片内部中的随机存储器中设有多功能地址区间，用户使用便捷。3）具有乘法和除法指令，使用户能够直接编写[32]。但51单片机存在着以下的明显缺点：1）需要通过位扩展才能实现模数信号转换、可擦可编程只读存储功能，增加了系统运行负担。2）单片机中双数据指针处理过于缓慢。3）单片机容易烧坏，主要应用在普通场合，使用最多的器件：8051、80C51。（2）AVR单片机AVR单片机在当今较为新颖的，使用范围较窄，其运行指标良好。通常其运行最短时间为125ns。其具有如下优势：1）AVR单片机通过寄存器来代替累加器。2）AVR可以直接使用专用寄存器。其芯片内部的随机存储器仅能实现对数据的存储。当程序运行需要较大的运算量时，32个通用寄存器无法满足需求。3）AVR芯片的输入输出引脚分别使用方向寄存器来控制。其高低电平的输出电流较51单片机有着显著提升。同样也存在着以下缺点：无法进行位操作，只能通过字节来控制。其运行程序与传统C语言在编程思想有着显著差异。不利于用户使用。3）通用寄存器的利用率仅为50%。使用最多的器件：ATUC64L3U、ATxmega64A1U、AT90S8515。（3）STC单片机STC单片机是当今性能比较优越的一款，其处理数据速度快，芯片实际功率低，信号灵敏度高，在多种领域和范围内广泛被使用，芯片可以使系统迅速回到原始状态。其有如下的特性：1）程序烧入方面，STC89C51单片机非常便捷高效，可以直接进行烧入，适应电压范围广，整个芯片最大电流不会超过55mA。2）系统设计时，便于使用者调试。其运行速度大大优于传统的51单片机，并且成本低廉。3）通道捕获/比较单元，能够同时实现多个定时器与外部事件中断[33]。综上考虑到与LoRa无线通讯模块的连接、程序的编程、低功耗等因素，系统最终采用STC89C51单片机。1.1.4液晶显示模块选取在日常生活中，液晶显示器充斥在我们生活的各个角落，主要是对数据的显示。主要通过发光管、LED数码管、液晶显示器来显示。前两者工作原理较为简单，不做阐述。下面重点介绍字符型液晶显示器的工作原理及对两种模块进行比较。液晶显示是利用液晶通电发光，通过高低电平进行显示。其在厚度、驱动方式、显示质量等方面具有明显的优势，目前已在各个领域中应用，其可以对对线段及字符进行输出。现市面上主要流行两种LCD液晶显示模块，一个是LCD12864另一个是LCD1602，下面对其进行对比分析：（1）LCD12864：LCD12864是基于图形点阵的液晶显示器，由驱动器对图形、汉字或者64个ASCII码进行显示输出。分为系统提供字库字模的和系统不提供字库字模。其在功耗、大小、重量等具有一定的优势。但是其在相应的程序电路成本上存在着一些缺陷。（2）LCD1602LCD1602是较为常用的字符型液晶显示器，此型号具有功耗低、抗干扰能力强、体积小、价廉、控制简单等优点。16代表每行显示16个字符；02代表共有2行显示，及此种LCD显示屏可以同时显示32个字符。但无法对图形与曲线进行显示输出。LCD1602与LCD12864的区别：显示字符区域与屏幕分辨率均不同。驱动芯片也不同，因此控制字、时序略有不同。根据本设计所应用场景及系统设计要求最终液晶显示模块选择LCD1602。1.4系统硬件电路设计基于LoRa低功耗广域网通信技术的温湿度采集系统硬件电路是以STC89C51单片机为中央运行处理器，LoRa无线通信模块是利用SX1262射频芯片来实现无线传感器网络组网。根据系统具体设计方案，整个设计由一个网关汇聚节点和两个不同的终端采集节点。网关数据汇聚节点的硬件电路由4个模块组成，电源供应、信号输出、LoRa通信组网、以及运行数据处理核心；终端采集节点硬件电路只是增加了对数据进行实时采集的功能模块。其中两者的LoRa通信组网、运行数据处理核心设计思路大体一致。本系统采用三层结构模型，即感知层、传输层、应用层。感知层即利用各种传感器技术完成对温室环境信息的感知。传输层的主要功能是通过无线传输技术将采集的信息进行传送。应用层的主要功能是通过网关将采集的信息进行汇总及显示。1.5采集节点电路设计终端数据采集节点属于系统的第一层即感知层，其主要任务一是通过温湿度传感器对相应的参数采集；二是实施系统指令，将收集的数据通过无线传输模块运输到网关，实现智能化远程化；三是将采集到的数据通过LCD液晶模块进行实时显示[34]。终端数据采集节点主要包含5个模块，电硬件电路框架如图3-2所示：图3-2采集节点硬件框架图1.5.1电源管理模块电路设计电源管理模块为整个设计提供动力，为各个模块稳定工作提供有力的保障，因此电源模块的性能的好与坏是系统能否可靠运行的决定性因素。由于系统所应用场景的特殊化，为了满足系统的良好的移动性以及便捷性，本设计采用USB接口移动电源供电的方式。终端采集节点电源主要是给无线温湿度传感器、LoRa无线传输模块以及LCD液晶显示屏供电。由于选取的温湿度传感器与LoRa无线通信模块均是兼容1.3V与5V的IO口电压，因此采用移动电源供应的方式就能够使系统长期稳定的运行。1.5.2传感器模块电路设计（1）传感器选型以设计的实际应用场所为出发点，将综合考虑传感器的所有性能参数采用的是国内广州奥松公司推出的DHT11，它是多功能传感器，测量温度的范围0－50度，精度为±2度，湿度的测量范围为20－90％RH，精度为±5％RH，其具体参数如下所示。DHT11是可以同时对环境中的温湿度进行采集，能够与单片机相连接。通过相应的程序设定校准系数存储在OPT内存中，以便检测信号中实时调用。在模块接口中使用单线串行接口，便于电路集成。引脚的封装便于与MCU相连。表3-6温湿度传感器主要技术指标参数湿度温度条件MinMaxTyp单位MinMaxTyp单位分辨率111%RH111℃重复性±1%RH±1℃精度25℃±4%RH±1±2℃0-50℃±5%RH量程范围0℃3090%RH050℃25℃2090%RH50℃2080%RH响应时间1/e(63%)25℃1m/s空气61510ms630ms图3-3DHT11实物图（2）传感器的接口电路STC89C51是MCU，DHT11是无线温湿度传感器。后者将所采集好的数据送入到微处理机中进行处理，在接口设计方面，使用了其中三个，PIN1连接5V电源，PIN4接地，PIN2接MCU，其中最重要的是接口2，它是直接与STC89C51单片机相连接，进行数据的同步传输，而通讯非常高效一般一次传输在4ms左右，所显示数据一共占用40位，先对湿度数据进行输出后对温度数据进行输出，且整数位于小数之前，并且对采集数据进行实时校验，各占8位[35]。DHT11与单片机的具体连接图如下所示：

图3-4DHT11与单片机的具体连接图工作运行方式：单片机给无线传感器发送开始采集命令时，工作模式切换到高速运转模式，当发送结束传输指令，温湿度传感器收到信号输出相应的数据。完成一次信号的采集，用户可以通过LCD液晶显示屏实时读取数据。温湿度传感器只有接收相应的指令才会对工作模式进行切换。1.5.3微处理器模块电路设计微处理器芯片模块是实现数据采集和数据传输的核心模块，是整个系统运行“大脑”，其选型对整个系统的性能有着举足轻重的作用[36]。数据采集节点中的微处理器采用STC系列的型号为89C51单片机，其性能指标在RSSI、处理数据速度、运行能耗等方面具有显著优势，在多种领域和范围内广泛被使用。其核心为8051系统内可编程芯片，RAM上集成了512个字节，并且可反复擦写，工作时的频率最高可以达到48MHz,应用程序空间从2K-12K字节，有六种可以供用户选择，足以满足要求。I/O串口（27/23个），复位后为准双向口/弱上拉。每个串口的驱动能力可达到20mA，而在程序烧入方面，STC89C51单片机非常便捷高效，通过串口直接下载用户程序，并且也不需要专用的程序编程器，可以直接在系统内部或者应用程序中编程。在终端方式上可以采用两种方案：低电平触发中断或者下降沿中断。单片机内部含有两个十六位的定时器/计数器。同时具有ADC功能，精度十位，一共八路采用的是通用异步串行口。其各个引脚功能如下所示：表3-7STC89C51单片机引脚功能表引脚具体功能VCC(Pin40)电源的输入，接入+5V电源VSS(Pin20)接地XTAL1(Pin19)片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin18)片内振荡电路的输出端RST/VPP(Pin9)RST外接复位电路，为芯片提供上电复位ALE/PROG(Pin30)地址锁存允许信号PSEN(Pin29)外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)程序存储器的内外部选通可编程输入/输出引脚（32根）分别为P0、P1、P2、P3口图3-5STC89C51单片机最小系统电路图本次设计采用5V电源对单片机进行供电，EA引脚同样接5V电源用于调用外部储存器。XTA接晶振电路，具体采用11MHZ频率的晶振，而电容器C3、C4的作用是稳定振荡频率、快速起振。P1.2为传感器信息的输入端。P1.0和P1.1作为输出端外接LoRa芯片。P1.0、P1.1、P2外接LCD1602实现显示输出。1.5.4数据传输模块电路设计无线通信模块是本系统的重要模块，它是将数据采集终端与数据汇聚网关连接起来的重要纽带，由于考虑到远距离传输和低功耗等因素，在LoRa模块的选取上，采用的是AS32-TTL-100。LoRa(LongRangeRadio)是将扩频调制技术和CRC技术相结合，实现通信信号的调制解调[37]，是一种远距离、低功耗的无线通信技术。LoRa技术在节点设置、运行成本、传输距离、信号接收强度等方面具有明显的长处，其适用于传输数据量小、实时性高、远距离以及低运行功率的场合。AS32-TTL-100型号的LoRa模块（实物如下图所示）其采用的是性能高效的ISM频段射频SX1262扩频芯片[38]，其优点是具有超级的接收功耗、抗干扰性强、高稳定性、距离传输远、IO口电压兼容1.3V跟5V等特点，将芯片采用FEC算法，其运算效率，实施能力非常高效，可以对一定位数的数据包进行纠错，提高芯片通信成功率与扩大无线网络覆盖范围。芯片有四种工作模式，根据相应的程序及设计应用实际场所随时互相切换，通过XC.COM软件平台在线实时修改芯片参数，芯片数据传输通道共有32个，且互相独立传输互不干扰[39]。图3-6LoRa模块实物图（1）LoRa无线通信模块引脚功能设计LoRa无线通信模块一共有七个，除去电源接入引脚与系统接地引脚外，通过MD0，MD1决定芯片具体工作模式，RXD与TXD分别作为串口输入、输出端但其与运行处理器的输出、输入端相连接，通过AUX引脚实现对相连接的微处理器唤起，其具体用途如下表所示：表3-8LoRa模块引脚用途表（2）LoRa无线通信模块工作模式设置LoRa模块有四种工作模式，各个模式分为发射功能和接收功能，下面介绍各个模式转换及具体工作原理：芯片所处具体模式取决于1、2号引脚信号的高低，当发生切换模式过程中如有数据仍在传输的情况，等其完成相应的传输后，芯片完成转换[40]。无线通信模块会将所有数据传输完毕后，在切换到休眠模式，在一定程度上减少单片机的工作时间，减少系统运行功耗。其他模式的相互转换，同样在完成任务之后，自动完成模式的切换。此运行方式灵活便捷便于用户操作并在一定程度上能够减少能耗，提升运行效率。工作模式分为：透明广播模式（同一地址信道的模块，任意一个发送端其余均可以接收到消息）简称一对多模式，空中唤醒模式（发送方自动添加唤醒码，唤醒目标模块，并发送数据传输方式同“定点传输”），定点传输模式（任意模块均可作为发送方点对点发送给任意模块在发送的数据需要增加目标地址+目标信道），本次设计所采用的是定点传输模式，通过在发送端对目标地址位进行改变，实现一对多的数据传输。（3）LoRa无线通信模块与单片机连接方式设计单片机将所处理好的数据通过LoRa模块进行传输送到网关中，在网关通过LoRa模块进行接收，再送到单片机进行数据处理。由于STC89C51单片机工作电压略高，需使用上拉电阻使系统正常运行。其与单片机连接的具体如下所示：图3-7单片机与LoRa模块的具体连接图（4）LoRa无线通信模块中AUX详解AUX接口是芯片对传输数据实现接收与发送功能的指令，其主要有3个功能其具体说明时序图如下：功能1：串口数据输出指示（用于唤醒休眠中的外部MCU）模块串口外发数据时，AUX引脚具体时序图如下所示：图3-8AUX功能1引脚时序图功能2：无线发射指示（实现对传输数据的发送），AUX引脚具体时序图如下所示：图3-9AUX功能2引脚时序图功能3：模块配置参数（仅在复位和进入工作模式时），其AUX引脚具体时序图如下所示[41]：图3-