一种基于LoRa 的防冰雹无线通信模块设计

孙宇航，杨延宁，2，余知朴，2，李 雪，杜永星

（1.延安大学物理与电子信息学院，陕西延安 716000；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西 延安 716000）

近年来，冰雹天气频繁发生，对果树树体、树枝、树叶、果实造成不同程度的破坏，如树体砸伤、树枝折断、果实脱落等，给种植户造成极大的经济损失[1]。突发恶劣冰雹天气不但造成果树当年减产，也对今后3～5 年的产量非常不利[2]。而目前市场上仅有一些非智能化的简易防冰雹设备，例如防雹网就是其中一种。由于冰雹天气发生的不确定性和突发性导致传统防雹网只能长期搭建在果园上方，防雹效果很不明显，且长期搭建在果树上空对果园内的环境及果树有明显的影响。因此一系列防冰雹装置应运而生，在此背景下，该文设计了一种应用于智能防冰雹装置的无线通信模块，应用该模块后装置能够对气象信息做一系列智能化的数据采集、数据分析、数据传递，以达到远程实时监控的目的，使得智能防冰雹装置在基本的智能化防冰雹的基础上同时还能够对果园内的环境进行检测，让智能防冰雹装置的功能更加智能、全面[3-4]。

1 系统总体结构设计

该文设计的无线通信模块能够适用于自动防冰雹装置，能够对果园所处地理位置的气象数据进行实时检测与采集，最终通过LoRa 无线传输技术将数据发送到云服务器终端，云服务器终端对数据进行分析与处理，然后对比阈值发出预警以防止突发恶劣的气象环境对果树的生长、果实的产量造成损害，从而尽可能地减小对种植户造成的经济损失，方便人们对果园进行智能化管理[5]。数据采集系统由温湿度传感器DHT11、主控器STC89C51 两部分组成[6-7]，能够实现对果园内温度和湿度的采集功能。数据的收发系统由两个LoRa 无线通信模块及GPRS 模块两部分组成[8-9]，接收端的LoRa 无线通信模通过GPRS模块将所接收到的数据发送给云服务器，实现远距离的传输与监测。如果气象数据值超过所设置的阈值，则数据接收系统内部的报警模块将发出警报声警示[10-12]。图1 所示为系统整体架构图。

图1 系统整体架构图

2 主要模块电路的设计

2.1 温湿度采集系统设计

温湿度的采集系统由主控制器STC89C51、SX 1262ZTR4-GC(A)无线通信模块和DHT11 温湿度传感器三部分连接而成。DHT11 温湿度传感器与STC 89C51 两者之间通过IIC 总线连接，SX1262ZTR4-GC无线通信模块和STC89C51 主控元件的通信方式是通过串口进行的。SX1262ZTR4-GC(A)无线通信模块对于数据的发送与SX1262ZTR4-GC（B）无线通信模块数据的接收原理相同，均采用中断的方式进行收发。

其中DHT11 温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它里面含有一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，可以与STC89C51RC 系列兼容0851 内核的单片机相连接。

图2 DHT11温湿度传感器的电路原理图

DHT11 温湿度传感器具备抗干扰能力强、反应快、性价比高，对于温湿度的采集具有很高的可靠性和稳定性等优点。另外DHT11 温湿度传感器件采用的是单总线通信，即只有一根数据线，它需要外接一个约5 kΩ的上拉电阻[13]，以防止序列出现混乱，若出现混乱则不会产生响应，系统对果园内温湿度数据的交换、控制都是由单总线来完成。图3 为温湿度采集系统的软件设计流程图。

图3 温湿度采集系统的软件设计流程图

2.2 LoRa无线通信模块设计

该系统选择使用SX1262ZTR4-GC 无线模块，这款无线通信模块是基于SEMTECH 射频集成芯片的SX126X 下的其中一款射频模块，其是一款高性能物联网无线收发器，它最大的特殊性就是使用LoRa 调试方式，能够大大地增加通信距离。它具有很小的体积，非常节省空间，而且较低的能量消耗和良好的抗干扰性也是它的一大优势[14]。图4 所示为SX1262 ZTR4-GC 无线模块的接线图。

图4 SX1262ZTR4-GC无线模块接线图

数据接收系统主要由STC89C51(B)主控器、SX1262ZTR4-GC(B)无线通信模块以及GPRS 模块三部分构成。此数据接收系统的功能是实现对温湿度系统发送来的数据进行接收，然后将数据打包处理以后发送至云服务器终端。设计的关键在于保证温湿度数据的传输时，可避免同一信道的干扰，因此对于温湿度数据传输选择点对点的传输模式，使用两个无线传输系统SX1262ZTR4-GC(A)与SX1262ZTR4-GC(B)组成一个整体的收发系统，SX1262ZTR4-GC(A)与温湿度传感器连接，将所采集到的数据发送给SX1262ZTR4-GC(B)。当检测到有数据接收时，SX1262ZTR4-GC(B)无线通信模块将会对接收的温湿度数据进行解码及验证，数据验证正确后以中断的方式进行数据接收，当接收到数据后会立马中断，每中断一次，接收并保存8 位数据，最终将所有数据保存在缓冲器的同一个数据组中，数据接收完毕后，利用GPRS 模块将所接收到的数据发送到云服务器终端[15]。一旦数据发射完毕，模块将会自动从原来的发射状态恢复到数据持续检测、接收状态，对来自于SX1262ZTR4-GC(A)无线通信模块发送的温湿度数据做好随时接收的准备。

2.3 云服务器自动检测平台设计

温湿度远程监测系统平台主要的功能是接收果园温湿度检测到的数据、并对接收到的数据进行存储和分析，还可以设置温湿度检测数据的阈值，若超过设定值，则立即进行报警。用户还可以在手机、电脑等设备终端上通过远程登录，实现对所测数据的查询，该设计选用的是亿恩云服务器作为监测平台[16]。

1）在云服务器上使用TPC 服务来建立一个接收处理程序，用来提供接收温湿度数据的连接。

2）通过SX1262ZTR4-GC（B），利用GPRS 模块将所要发送的温湿度数据发送给云服务器。

3）云服务器通过文本形式的方式将温湿度的数据进行存储，以方便后期的读取。

内蒙古河套灌区粮油作物节水技术集成模式…………………………………………………………… 史海滨，闫建文，李仙岳（36）

4）采用Web 的方式将存储的温湿度数据进行显示，即创建一个apache。

5）最终形成html文件反馈给浏览器。

6）用户可以通过浏览器打开显示页面，观测最新的温湿度检测情况。

自动温湿度检测平台软件功能的模块如图5所示。

图5 云服务器自动检测平台软件功能的模块

整个云服务器自动检测平台首先通过GPRS 模块接收温湿度数据并进行存储，然后对数据进行整体分析，与所设置的阈值进行对比，若超过设定的范围则发出警报，与此同时将测量结果显示到主页面，以方便查看，而且也可以通过数据存储对之前的测量数据进行回看。

3 系统调试

系统整体测试地点在楼底村的果树基地，为了得到植物最适宜的温湿度生长环境，此次测量将整个装置放置在距离植物根部0.3～0.5 m 的高度，同时避免植物的枝叶遮挡住测量系统，使温湿度传感器充分接收光照，系统整体测试主要包括以下几个方面：

1）测量值误差测试

温湿度检测数据结果如表1 所示。

表1 温湿度检测数据

此次试验选取了八个时间点，分别记录每一时刻的温度和湿度数值，先将所有测量值求平均值，然后与实际值作差，通过计算可以得出相对误差大约为5%，测量精度基本上能够满足实际测量需要。

2）网络稳定性测试

网络测试主要包括两个方面：一方面是两个无线传输系统SX1262ZTR4-GC(A)与SX1262ZTR4-GC（B）组成的无线收发系统的稳定性测试。通过实际检测能够发现，此收发系统的网络非常平稳，收发系统有0.05～0.08 s的时间延迟，能够达到气象数据实时采集的要求[17]。另一方面是电信公司提供的网络业务能否正常运行，检测发现它的上下行网速分别为2.3 Mpbs、2.0 Mpbs，具有较好的稳定性，保证检测时不会出现卡顿问题，能够达到温湿度数据传输过程对网速的稳定性的要求。

3）信号服务质量测试

此项目测试主要是对系统适应能力、数据的存储分析能力、错误率的检测，SX1262ZTR4-GC（A）与SX1262 ZTR4-GC（B）组成的无线收发系统与云服务器之间传输数据的误码率几乎为0，能够实现数据准确传输的目的。

4）时效性测试

无线传输系统SX1262 ZTR4-GC（B）通过GPRS发送温湿度数据到被云平台接收到需要的时间平均值大约为487 ms，这个时间间隔完全可以达到此次设计所要求的收发数据实时性的要求。

5）功耗性测试

无线传输系统SX1262ZTR4-GC 工作在数据收发模式下的最大功率为100 mW 左右，接收端灵敏度为-139 dBm[18]，在睡眠模式下的工作电流为0.5～1.5 μA，满足低功耗的要求。

4 结论

该文针对智能防冰雹装置设计了一款基于STC89C51 单片机与SX1262ZTR4-GC 无线通信模块的温湿度测量、数据收发系统。该系统能够实现果园内温湿度的测量，同时增加了SX1262ZTR4-GC 无线通信模块，实现测量数据的远距离收发，达到了远程监测的目的，使得智能防冰雹装置具有多样化的功能，有利于果园的智能科学化管理。该设计将低功耗、传输距离远、性价比高的LoRa 无线通信技术与温湿度测量和云平台三者有效结合起来，实现远程数据采集与检测的目的。通过对整体系统的性能检测，该系统能够很好地实现其功能，具有较强的实用性。