基于物联网的温湿度监测器设计
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作者:马书轶 陈恒 王兆壮 徐颖
摘 要：在仓库的正常使用过程中，温湿度是一个必不可少的条件。随着物联网技术的发展，作为IoT的重要组成部分，智能仓储管理也会因为物联网基础设施的不断完善而越来越高效。文章设计了一种基于物联网仓储管理系统的温湿度监测节点，通过LoRa无线通信技术传输数据，以实现对温湿度的实时监测。
关键词：物联网;温湿度监测;传感器节点;LoRa网关
0 引言
随着物联网蓬勃发展，仓储管理方式转变，物流更加方便快捷。仓库内的环境直接影响货物能存放的时间和质量[1]，温度和湿度是影响货物质量的直接因素，为了能长时间地存储货物，需要使用监测器对仓库环境进行实时监测。
1 总体方案
本文提出一种监测节点的设计方式;以mcu为核心，将需要实现的功能模块化。考虑到仓库中需要使用的检测器数量众多，环境复杂，给每个监测节点接线供电不现实，因此使用锂电池供电方式。基于物联网的监测节点硬件主要由stm32f103c8t6、HTU21d、M120-l、tps62082dsg组成[2]。总体功能实现框架如图1所示。
1.1 主控模块设计
监测节点所使用到的资源比较少，只需用1个USART接口、1个定时器资源以及1个SPI 接口，不需要使用高容量存储器满足大量程序编写。因此，STM32F103C8T6芯片可以满足本系统的设计要求。本文采用最小系统实现基本的控制功能，包括主控芯片、晶振电路、复位电路以及滤波电路。
1.2 传感器模块设计
由于仓库环境的复杂与多样，需要选用测量范围大，且对工作条件不敏感的温湿度传感器[3]，同时需要大批量监测点，考虑到成本，拟选用数字温湿度传感器HTU21D。该产品精度高，测量范围大（-40 ℃～125 ℃，±0.3 ℃;0～100%RH，±2%RH）。工作时，通过i2c与主控芯片相连，处在待用状态时使用上拉电阻将两线都钳位在高电平。典型电路如图2所示。
1.3 电源模块设计
考虑到实际情况下，库房内环境复杂，不能满足接线的需求。本文未采用充电插座220 V 供电/USB 5 V 供电的方式，而是采用了3.7 V 锂电池供电的方式。本文以锂电池作为电源，由于锂电池长期工作电压会低于3.3 V，而LDO的机理只能实现降压变换，因此选用DC-DC 芯片TPS62082DSG作为电压转换电路的核心，1.2 A的最大输出电流能够满足对一系列外围电路的供电需求。
本文选用了一节型号为103048 的1 500 mAh 锂电池，并对监测节点的功耗进行了预估，综合各个元器件的功耗。随后对其进行了寿命预估，通过计算得到全工作模式下能运行约15 h，休眠待机模式能持续运行约4年的结果，并按2年寿命对其工作周期进行分配，得到工作时间与休眠时间之比约为1∶2 500。电源电路如图3所示。
1.4 LoRa模块设计
无线通信模块采用慧联无限科技公司的一款LoRa模块，M120（L）。M120是慧联无限科技有限公司研制的一款LoRa通信模块。模块集成了LoRaWAN协议栈，并且符合LoRa盟发布的LoRaWAN标准（V1.0.2，Class A/C），能够支持不同厂商设备间实现互联互通。在LoRa网络下，M120（L）支持0.018～37.5 kbps的传输速度，低功耗，高灵敏度，抗干扰能力强，覆盖范围广。为缩短开发周期，尽快完成监测节点系统的功能，本文避免了对M120裸片的研发，直接采用了M120（L）成品模块进行设计，单片机可直接通过串口使用AT 指令对其进行控制。通信模块电路如图4所示。
2 数据传输设计
Class A类的LoRa终端功耗最低，能够满足设计节点工作两三年的要求。终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。其他任何时间服务器进行下行传输都得等终端的下一次上行。
基于硬件使用LoRa模块，因此需要使用网关对监测节点进行组网才能连接上运营商，本次选用F8916-L网关，传输层使用tcp，因为监测节点无须不间断工作，只需要每隔一段时间发送一次数据，因此应用层选用mqtt，mqtt是一种轻量级的传输协议，简单易用。服务器使用emqx，系统启动后，程序按照指定时间采集数据存入数据库，定量分析仓库温湿度变化。
考虑到仓库生产需求，为了降低损耗，简化结构，采用星型网络结构。LoRa网关和终端节点使用星型结构。LoRa网络只存在两个方向的通信链路。在网络中，网关作为汇聚节点，接收所有网络流量。
系统的接入容量，即一定时间内网关能够接收多少数据包的能力。从理论上来说，单个网关有8个接收信道，在符合LoRaWAN协议的条件下每天最多能接收1 500个数据包。若某个传感器的发包频率为每小时一份数据包，那么在网络负载率为10%的状态下，单个网关能够接入的传感器数目可达80 000个。当然，这仅仅是理论计算值，网关可接入的终端数量最终还是与终端所配置的发包频率、数据包的大小、通信速率以及现场的无线网络环境等因素相关。
3 结语
本监测器系统以单片机为核心控制，通过模块化设计最终完成各项需求。经过测试，本方案能有效地掌握仓库温湿度变化状态，可以长时间稳定工作。虽然该系统还存在一些不足，所设计的监测节点系统仍需在人机交互、电量检测、设备安全防护等方面进行改进。但主要功能符合要求。物联网是当今的发展热点之一，对环境变化的监测是发展的必然成果。
[参考文献]
[1]靳尧凯，戴贻康，焦运良.基于ZigBee的温湿度监测系统设计[J].网络安全技术与应用，2020（7）：60-62.
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