基于lora的物联网应用节点设计与实现

论文总字数：28375字

摘 要

在现代工农业生产活动中，各种类型的传感器起着重要的作用，然而大范围远距离传感器节点的数据采集和传输一直是一个难点问题，在远距离通信中，节点需要在低信噪比，复杂的条件状况下传输数据，同时需要保持较低功耗以维持节点长时间工作，这对采集节点设计和通信传输方式提出了较高的要求，而目前的传感器采集方案都不能较好的解决这些问题。

LoRa技术是美国Semtech公司推出的远距离无线通信方案，相比于传统的远距离通信方案在低功耗和抗干扰方面有明显的优势，本文通过学习研究LoRa通信技术，使用第三方LoRa芯片设计了一种能够实现温湿度数据采集和传输的物联网应用节点，节点由MCU主控单元，温湿度采集传感器，LoRa通信模块和电源稳压模块等几部分组成，能在较远距离，低信噪比的环境下传输数据到网关，且能以低功耗模式运行，本文对节点的硬件方案进行了设计并编写了配套的嵌入式软件程序，同时对节点成品进行了实地通信测试，测试结果表明节点性能能够满足预期要求。

关键词：LoRa技术，无线传感网络，数据采集

Abstract

In modern industrial and agricultural production activities, various types of sensors play an important role. However, the data collection and transmission of large-scale long-distance sensor nodes has always been a difficult problem. In long-distance communication, nodes need to have low signal-to-noise ratio, and the node need to maintain low power consumption to maintain long-term operation, which puts higher requirements on the design of nodes and communication transmission methods. At present, many sensor acquisition schemes have been proposed, but these solutions all have some drawbacks.
LoRa technology is a long-distance wireless communication scheme launched by Semtech of the United States. Compared with traditional long-distance communication schemes, it has obvious advantages in terms of low power consumption and anti-interference. In this article, we learns to study LoRa communication technology and use a third-party LoRa chip to design an IoT application node that can achieve temperature and humidity data acquisition and transmission. The node is composed of MCU main control unit, temperature and humidity acquisition sensor, LoRa communication module and power supply voltage regulator module, etc. The node can transmit data to the gateway at a relatively long distance and low signal-to-noise ratio and can operate in a low-power mode. We designed the hardware scheme of the node and compiles the supporting embedded software program. At the same time, we conducted field communication test on the finished product of the node. Test results Indicates that the node performance meets the expected requirements.

Keywords: LoRa technology,Wireless sensor network, data acquisition

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ………………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论 ……………………………………………………………………………………1

1.1 选题背景及意义……………………………………………………………………1

1.2 国内外发展现状……………………………………………………………………1

1.3 论文研究内容及组织结构…………………………………………………………2

1.3.1 研究内容……………………………………………………………………2

1.3.2 组织结构……………………………………………………………………3

第二章 LoRa 通信技术研究……………………………………………………………………4

2.1 扩频通信技术………………………………………………………………………4

2.2 前向纠错机制………………………………………………………………………5

2.3 LoRaWAN 协议………………………………………………………………………6

2.4 本章小结……………………………………………………………………………9

第三章 节点总体设计及硬件设计……………………………………………………………10

3.1 节点总体设计 ……………………………………………………………………10

3.1.1 节点总体设计框图…………………………………………………………10

3.1.2 模块功能概述………………………………………………………………10

3.2 相关器件选型 ……………………………………………………………………10

3.2.1 LoRa 通信模块相关器件选型 ……………………………………………10

3.2.2 终端MCU选型………………………………………………………………11

3.2.3 温湿度传感器选型…………………………………………………………11

3.3 节点原理图设计 …………………………………………………………………12

3.4 节点PCB设计 ……………………………………………………………………14

3.5 本章小结 …………………………………………………………………………15

第四章 节点软件设计…………………………………………………………………………16

4.1 各模块软件说明 …………………………………………………………………16

4.1.1 LoRa 通信程序 ……………………………………………………………16

4.1.2 温湿度数据采集程序………………………………………………………18

4.1.3 串口通信程序………………………………………………………………21

4.2 本章小结 …………………………………………………………………………23

第五章 节点实地测试…………………………………………………………………………24

5.1 测试地点及方法 …………………………………………………………………24

5.2 测试过程及结果 …………………………………………………………………25

5.3 本章小结 …………………………………………………………………………27

第六章 总结与展望……………………………………………………………………………28

6.1 工作总结 …………………………………………………………………………28

6.2 工作展望 …………………………………………………………………………28

致谢 ……………………………………………………………………………………………29

参考文献（References） ……………………………………………………………………30

第一章 绪论

• 1. 选题背景及意义

近年来，传感器在生活生产的各个领域得到了广泛的应用，为人们的工业生产活动提供和很多便利，而大范围远距离传感器网络的数据采集，传输和处理一直是一个难点问题，远距离传输的传感器应用网络需要面对功耗过大，信噪比高，地形条件复杂等诸多问题，这些问题的存在制约了物联网技术和工业控制的发展。

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