基于LoRa的电气设备温湿度监测终端设计*

李时杰, 何怡刚, 罗旗舞, 史露强, 黄 源, 程彤彤

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

温湿度是影响电气设备可靠性的两个重要指标[1,2]，因此，电气设备温湿度实时监测对保证电力系统安全运行具有重要意义。电气设备监测以有线通信和无线通信方式为主，有线通信方式线路复杂，成本高，不适合大范围电力系统的监测。基于无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)技术的无线通信方式进入到了电气设备监测的领域，但WSNs技术的通信距离短，需要布置大量中继节点，网络结构复杂[3]。如今物联网的迅速发展，基于扩频调制的LoRa技术应运而生，解决了无线应用开发一直存在的在更长的距离和更低的功耗难以兼固的问题，与ZigBee和蓝牙等无线通信技术相比，其传输距离远、功耗低、组网方式简单[4]。

本文将LoRa技术和传感器技术融合并用于电力系统电气设备监测中，实现了电气设备温湿度远距离自动监控，大幅降低了网络复杂度和成本。

1 LoRa传感终端硬件设计

基于LoRa的电气设备温湿度监测系统由LoRa传感终端、LoRa网关和监控中心组成，总体构架如图1。

图1 基于LoRa的电气设备温湿度监测系统

LoRa传感终端置于被监测的电气设备上，用于实时采集电气设备的温湿度信息，通过远距离的无线扩频通信技术，向LoRa网关发送监测的温湿度信息，LoRa网关通过以太网，将采集的各终端信息汇聚到监控中心，监控中心通过对检测的温湿度等信息进行分析，完成对电气设备温湿度的实时监测。

LoRa传感终端的设计如图2所示，由单片机(MCU)模块、电源模块、传感器模块和SX1278射频模块组成。

图2 LoRa传感终端

1.1 MCU模块和传感器模块设计

MCU模块采用STM8L151单片机，可在1.65～3.6 V的电压，-40～85 ℃的温度条件下工作，最高16 MHz的工作频率，内置高达64 kB的FLASH存储器和2 kB的EEPROM，完全满足温湿度传感器数据所需的存储空间。同时该单片机支持等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止5种低功耗模式，方便了LoRa传感终端的低功耗设计。传感器模块采用SHT20温湿度传感器，可在2.1～3.6 V供电电压下工作，具有0～125 ℃的测温范围和20 %～60 %RH的湿度测量范围，休眠模式和测量状态下的工作电流低至0.15 μA和300 μA。SHT20内置A/D转换器将温湿度信息转换成数字信号输出，通过集成电路总线(I2C)通信方式传输至MCU模块，MCU模块利用I2C接口对传感器完成读写，获取温湿度信息并完成数据存取。

1.2 SX1278射频模块

SX1278射频模块是一种高度集成低功耗半双工小功率无线数据传输模块，具有超远距离扩频调制通信、高抗干扰性和超低电流功耗，采用星型网络架构，能够将数百万的无线传感器节点与LoRa网关连接。采用LoRaTM模式可以实现-148 dBm的高接收灵敏度，+14 dBm的发射功率，低至9.9 mA的接收电流消耗，工作频段为137～525 MHz，本文射频模块工作频率为470 MHz[5]。SX1278射频模块一方面将MCU模块处理后的温湿度信息通过无线远距离发送到LoRa网关，另一方面响应来自LoRa网关下发的命令。SX1278射频模块通过通用异步传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)与MCU进行通信。

1.3 电源模块

本文LoRa传感终端采用电池供电，虽然许多电气设备均置户外，LoRa传感终端以无线的方式传输数据，LoRa传感终端的有效工作时间有限，但采用于STM8L151单片机，SHT20温湿度传感器和SX1278芯片的超低功耗模式，使终端的休眠电流低至1.4 μA，极大地延长了电池寿命。

2 LoRa传感终端软件设计

LoRa传感终端中各个模块在工作模式和低功耗模式下功耗消耗非常大，合理设计这些模块的运行和休眠模式，既能实现的预设功能，又能有效降低电池能源消耗。基本软件流程如图3。

图3 软件流程

3 LoRa传感终端测试结果

3.1 LoRa传感终端通信测试

实验室环境搭建温湿度监测系统，验证LoRa传感终端的实际通信状况。模拟监测系统包括2个LoRa传感终端和1个网关。LoRa传感终端置于室外，距网关约5 km，网关通过以太网接口与实验室路由器相连，并将采集的温湿度信息上传至云服务器。通过访问HTTP网址可以查看接收的温湿度信息，如图4所示，每个LoRa传感终端具有一个唯一的标识号，方便用户定位。

图4 LoRa网关云服务器数据显示

3.2 低功耗设计与测试

本文从器件低功耗特性和单片机(MCU)端口控制等方式降低终端的休眠电流，延长电池的寿命。

一般系统的总功耗分为2个部分：静态功耗(晶体管消耗能量μA)和动态功耗(负载电容放电消耗能量,μA/MHz)，总电能消耗是二者之和，可表示为IDD=f×IDynamicRun+IStatic，其中，f为时钟频率[6]。

3.2.1 低功耗硬件实现

利用MCU的端口控制功能对传感器的供电进行通断控制，在进行温湿度测量时控制传感器为通电状态，不测量时关断传感器的电源，防止传感器在不工作时依然耗电，最大程度节省功耗。如图5所示，EN端连接MCU的I/O口，VCC3V3GAS连接传感器电源端口，利用元器件的通断特性，当MCU控制EN端为高电平时，VCC3V3GAS亦为高电平，即传感器电源导通，可以进行温湿度测试；否则,当MCU控制EN端为低电平时，VCC3V3GAS也为低电平，即传感器电源关断，传感器不工作。

图5 低功耗硬件设计

3.2.2 低功耗软件实现及测试

终端设计在24 h内，th处于温湿度采集以及和网关通信状态，(24-t)h处于休眠状态。在信息采集和通信状态，MCU处于运行模式，SX1278射频模块处于射频接收或发送模式；在休眠状态，MCU仅实时时钟(real-time clock,RTC)工作，定时唤醒传感器和射频模块。

低功耗测试方法通过吉时利Keithey 2700系列数据采集仪测量整个终端在一段时间内的电流值，在一个采样发送周期内终端的电流波形如图6所示。

图6 LoRa传感终端电流曲线

可以看出:终端在一个采样发送周期内，不同工作模式下的各个硬件电流消耗情况，分析出该终端整体电气参数，如表1所示。

表1 LoRa传感终端整体电气参数测试结果

本文采用2节5号电池供电，容量约为2 700 mAh，由图6电流波形和表1整体电气参数测试结果可知，终端以37.89 s的时间为一个工作周期，其中传感器采集与发送每个周期进行一次，可以根据式(1)在一个周期内计算出平均电流消耗[7]Iaver(mA),为

Iaver=(1.4×10-3×37.5+1.15×0.35+

17.3×0.02+92.3×0.02)/37.89=0.070

(1)

电池工作时间T(天)为

T=(2700/0.070)/24=1 607

(2)

LoRa传感终端的所消耗的电流主要由温湿度传感器和SX1278射频模块的功能起决定性作用，式(1)和式(2)给出了电池寿命和硬件工作时间及工作周期的关系，可以发现：增大硬件工作周期和减少硬件工作时间可大幅降低功耗，延长电池寿命。

4 结 论

提出了一种基于LoRa的电气设备温湿度监测系统，并结合传感器技术和远距离无线扩频通信技术，设计了一种LoRa传感终端，与现有其他终端设备相比，具有传输距离远，功耗低的优势，可以广泛应用于智能电网、智能建筑、智能城市等领域，具有良好的发展前景。

参考文献:

[1] 王海伦,蔡志宏,范一鸣.电气设备温度监测的无线传感器网络节点设计[J].传感器与微系统,2011,30(7):97-99.

[2] 苏圆圆,何怡刚,邓芳明,等.绝缘子温湿度在线监测技术研究[J].电子测量与仪器学报,2016,30(7):1098-1106.

[3] Schmidt H J,Arens B,Kahlen A,et al.Efficient communication of sensors monitoring overhead transmission lines[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(3):1130-1136.

[4] 刘 琛,邵 震,夏莹莹.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术,2016,8(5):43-46.

[5] Petajajarvi J,Mikhaylov K,Roivainen A,et al.On the coverage of LPWANs:Range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]∥International Conference on ITS Telecommunications,2015:55-59.

[6] 孙大鹰,徐 申,徐玉珉,等.应用于低功耗嵌入式处理器的功耗动态管理策略设计[J].东南大学学报:自然科学版,2013,43(4):695-700.

[7] 楼亮亮,金彦亮,周 苗,等.物联网节点功耗测量及电池寿命分析[J].自动化仪表,2015,36(12):52-55.