基于LoRa的可燃气体监测系统设计方案

张海涛，韩耀振（山东交通学院 信息科学与电气工程学院，山东 济南 250357）

摘 要 ：针对目前可燃气体监测系统存在的通信传输距离短和功耗高的问题，提出了一种基于 LoRa 技术的可燃气体监测系统设计方案，给出了系统的总体设计以及详细的系统硬件组成和原型，软件系统由 Keil 软件编译实现。基于 FM33LG048 设计的无线传感器采集现场气体浓度，通过 SX1278 无线射频模块与 LoRa 控制器通信 ；以高性能，低功耗 STM32F103 为主控制单元设计的 LoRa 控制器接收、处理、存储无线传感器数据，并提供操作界面，其中，控制器中的 LoRa 网关作为中继通过 GPRS 将接收的数据发送到云平台。系统可通过 LoRa 控制器在本地查看、操作无线传感器，通过手机或电脑远程增、删、改、查无线传感器相关信息。

中图分类号 ：TP23 ；TP277

文献标识码 ：A文章编号 ：2095-1302（2022）10-0012-04

0 引 言

在石油化工行业中不可避免的存在各种易燃易爆、有毒有害的气体，这些气体一旦长时间泄露或积聚在周围环境中，将可能引起火灾、爆炸或人身中毒等重大事故。因此，对可燃气体的监测是安全生产过程中至关重要的环节。随着物联网的发展，无线网络技术在可燃气体监测系统中的应用越来越广泛。文献 ［1-3］ 通过 ZigBee 技术将传感器采集的数据传送到网关节点，由监控中心进行数据分析和处理。文献 ［4-6］以 GPRS 网络为基础，通过 IP 数据流方式传送数据信息，实现对可燃气体的远程监控。以上系统通过采用不同的无线通信技术，均实现了对可燃气体的远程监控。但 ZigBee 技术无法实现远距离传输，GPRS 又易发生丢包现象。针对以上问题，结合 LoRa 通信距离远、信号收发灵敏度高、功耗低等优点，本文设计了一种基于 LoRa 自组网的可燃气体监测系统，能够有效监测可燃气体浓度。

1 系统工作原理及功能

图 1 所示为可燃气体监测系统结构框图，系统主要由无线传感器、LoRa 控制器和气体监测云平台组成。无线传感器采集现场气体浓度，对数据进行处理，然后 LoRa 模块按照规定的通信协议主动将数据发送到相应的 LoRa 控制器。LoRa 控制器对浓度数据进行分析、判断、处理，并定时发送到云平台，云平台接收、显示 LoRa 控制器的数据，数据异常时平台立即发送短信通知相关人员。

系统分为 3 个层次，气体监测云平台与 LoRa 控制器之间采用 GPRS 通信方式 ；LoRa 控制器和无线传感器之间采用 LoRa 通信方式 ；无线传感器和联动模块之间采用 RS 485通信方式。设计的 LoRa 控制器可连接 256 个无线传感器，每个无线传感器都有唯一的识别码。为避免信道拥堵，系统默认 1 个控制器最多可连接 100 个无线传感器。 无线传感器将采集的气体浓度转换成 0 ～ 5 V 电压信号，并经过处理转换成相应的数据格式。除此之外，无线传感器还具有现场数字显示、调零、标定、变更地址、声光报警等功能。其中，联动模块由电磁阀和排风风扇组成，无线传感器发生报警时，联动模块对应的继电器工作，关闭电磁阀并启动排风风扇，从而避免事故的发生。

LoRa 控制器是系统最重要的部分，也是系统设计的难点所在。LoRa 控制器一方面通过 232 与串口屏通信，可查看报警时间、报警浓度、故障类型等，也可设置、修改、查阅系统参数 ；另一方面，LoRa 控制器中的 LoRa 网关接收无线传感器上传的气体浓度信息，并进行分析、处理、判断。然后将处理数据定期通过无线远传至气体监测云平台，现场报警时立即上传。同时也可修改 IP 地址、无线传感器数量、上传时间等参数。

2 系统硬件设计

LoRa 控制器主要包括电源模块、显示模块、无线通信模块，选用性能稳定的 STM32F103RBT6 作为控制中心。电源模块主要由主电供电和电池供电两部分组成，主电供电由LS05-13B24R3 将交流电压 220 V 转换成单片机所需要的直流电压 5 V。LS05-13B24R3 是金升阳提供的小型化裸板的高效绿色模块电源，具有交直流两用、输入电压范围宽、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点，主电源电路原理如图 2 所示。电池供电则由 24 V 电池进行供电，24 V 转 5 V 直流降压电路采用 MP1584 芯片。开关电源通过在内部 MOS 管上加 PWM 开关信号，控制 MOS 管的导通和关断，使电感和电容充放电，以此来实现将电源电压降压的目的。电池供电电路原理如图 3 所示。

无线模块由 LoRa 网关和 GPRS 模块组成，主要电路原理如图 4 所示。

LoRa 网关采用 SEMTECH 公司出品的SX1278 射频芯片。SX1278 射频芯片是一种半双工传输的低中频收发器，具有高灵敏度、低功耗、抗干扰等特点。采用星型网络架构，能将数百万的无线传感器节点与 LoRa 网关连接 ［7］。射频前端和数字状态机所有重要参数均可通过一个 SPI 接口进行配置，通过 SPI 可以访问 1278 的配置寄存器。使用 SX1278 需要注意两点 ：一是与 MCU 连接时注意共地连接 ；二是 RST 管脚是 SX1278 无线模块的复位引脚，低电平有效，在初始化操作成功后严禁使用此管脚。SX1278的工作频率为 433 MHz，在同等发射功率下低频的传输距离更远，覆盖范围更广 ［8］。GPRS 模块采用 SIMCom 提供的SIM800C，SIM800C 采用省电技术设计，在休眠状态下电流低 至 0.6 mA［9］。 将 SIM800C 的 TXD 和 RXD 与 MCU 的 串口 2 连接，并通过 MCU 的串口 1 进行打印。

显示模块选用迪文 DGUS 屏，通过 232 与微控制器通信，电路原理如图 5 所示。

DGUS 屏主要把 GUI 分解成控件并按页面配置。控件显示由变量控制 ［10］，通过 PC 软件配置好控件文件下载到 DGUS 屏后，通过串口改写变量值即可实现控件显示的相应改变。

无线传感器主要完成对现场气体浓度的采集和数据发送，电路原理如图 6 所示。选用 5 V 高性能锂电池供电，当电池电压下降到 3.3 V 后，蜂鸣器持续 10 s 警报以提醒用户。

无线传感器的微控制器选用 FM33LG048，FM33LG048 是一款基于 ARM32 位 Cortex-M0+ 内核的产品，片上内存包括256 KB FLASH 和 32 KB RAM，集成低功耗硬件时钟，内置液晶显示驱动，独特的超低功耗架构设计使得芯片在 1 MS/s采样率下，功耗仅为 250 μA。红外遥控模块选用 VS1838B，可实现对无线传感器的调零和标定。

3.2 LoRa 主控制器软件设计

在进入循环之前，首先对微处理器和芯片进行初始化，显示开机画面 3 min，在此过程中不断进行电源检测、按键检测、屏幕检测。开机成功后，LoRa 网关上电，并扫描查看是否有 LoRa 节点加入。LoRa 节点加入后，控制器对接收到的数据进行分析判断，主要分为正常、故障、报警三种状态，然后按顺序提取协议中无线传感器中对应的气体浓度和状态位，将其存储到 FLASH 中。

正常状态下，上传时间为 6 h，若为故障或报警状态，则立即上传。为降低系统功耗，未达到上传时间时系统处于休眠状态。键值检测及处理部分主要检测屏幕是否有反应，能否根据相应键值进行相关操作。屏幕界面分为三级权限操作目录，每一级权限下有若干下拉界面选项，这些操作功能都在按键数据处理函数中完成。

进入循环之后，需要注意每一个函数处理完成后都要进行备电电路检测。 LoRa 控制器与云平台间采用 4G 长连接模式，通过 TCP与云平台建立连接，首次建立连接或者断开连接再次连接上线后，首先发送登录帧，等待云平台应答，超时无应答并重试两次仍无应答则自动断开服务器，释放连接资源 ；如果收到云平台应答，则进入正常工作流程，按 LoRa 控制器设置的上传周期上传数据。LoRa 控制器无数据传输时，断开连接。 如果连续 5 次连接失败，计数器开始计数，模块重新上电初始化，当计数器达到 10 次后，清零并发出警报，蓝色指示灯常亮，提醒用户联网失败。LoRa 控制器工作流程如图 8所示。

4 结 语

基于 LoRa 技术的可燃气体监测系统能够有效监测多种可燃性气体，在通信距离传输和功耗性能方面都有了不同程度的改善，实现了可燃气体安全云监控，提高了整体区域可燃气体监测系统的实时性和可靠性。

参考文献

［1］ 黄青龙，游胜玉，何月顺 。 基于 ZigBee 技术的可燃气体监测报警系统的设计 ［J］。 物联网技术，2021，11（7）：18-19.

［2］ 张鹏，秦飞舟 。 基于 ZigBee 技术的室内可燃气体监测系统 ［J］。 电脑知识与技术，2015，11（27）：204-205.

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［4］ 包亮，王里奥，陈萌，等 。 基于 GPRS 的排水管道可燃气体远程在线监控系统的设计与实现 ［J］。 给水排水，2009，45（s1）：445-448.

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［10］ 张建良，吴越，齐冬莲，等 。 基于 DSP 的微电网泛能控制实验平台设计 ［J］。 实验室研究与探索，2018，37（2）：83-86.

作者简介： 张海涛（1995—），男，研究生，研究方向为嵌入式开发。 韩耀振（1984—），男，教授，主要研究方向为现代能源控制技术、新能源系统控制。

编辑：黄飞