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LoRa通信技术在冻土监测系统中的应用

2020-12-08阅读(615)

LoRa通信技术在冻土监测系统中的应用

论文摘要

全球气候变暖和人类活动增加,导致大兴安岭北部的冻土产生退化,并对当地生态环境造成影响。冻土地温监测系统可帮助科学家分析冻土与环境之间的关联;但大兴安岭北部林区部分监测站因没有移动网络信号覆盖使得监测数据难以自动上报。本文结合大兴安岭林区冻土地温监测项目,对无移动网络信号覆盖的监测点数据的上报通信问题展开研究,结合野外供电情况,利用LoRa低功耗远距离通信技术实现移动公网的延伸,设计了一种基于LoRa通信技术的移动公网通信网关和一种基于STM32L476的LoRa通信装置,使得无移动公网信号覆盖的监测点数据得以通信上报。具体工作如下:1)本文采用LoRa通信技术对移动公网进行延伸,在有移动公网信号的地方架设分中心(网关),通过LoRa通信技术实现分中心与监测子站之间的通信,从而使得无移动公网信号覆盖的监测子站实现与数据中心之间的通信。本文对LoRa通信技术以及多子站上报的机制和流程进行了介绍。在现有近距无线通信中,由于LoRa模块无法自动关机和数采仪被频繁唤醒,导致系统功耗过大,针对这些问题,本文设计了一种以低功耗ARM平台—STM32L476为MCU的LoRa通信装置。该装置通过对LoRa模块及其与监测站之间通信过程的控制,并通过对太阳能供电系统电压的监测,实现在电荷量供应充足的情况下,控制系统能够控制LoRa模块上电,以降低系统的功耗。本文对LoRa通信装置的硬件和软件进行了设计,包括采用I2C接口铁电存储器实现的监测(子)站地址存储的硬件和软件设计。2)为降低监测站数采仪供电和通信装置供电之间的关联,本文采用太阳能电池板和超级电容组合为LoRa通信装置独立供电。本文对LoRa通信装置的能量消耗进行计算,并据此完成了太阳能板的功率设计和超级电容容量设计。为进一步降低电压测量的功耗,文中运用超微功耗RC积分方法实现了静耗近乎为0的电压测量方案,给出了电路设计、程序设计,并且采用GPS的1PPS对其中的脉冲周期进行了测试标定,使得测量误差小于0.2V,达到了系统实际使用所需要的精度要求。最后本文对远距离通信实验和多子站通信上报实验进行了介绍,数据表明:当通信距离为6公里时,丢包率小于10%,能够满足大兴安岭林区无公网监测点的4公里通信需求。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题的研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 LoRa通信技术的国内外研究现状
  •     1.2.2 LoRaWAN协议的国内外研究现状
  •   1.3 主要研究内容和结构安排
  •     1.3.1 主要研究内容
  •     1.3.2 论文的结构安排
  • 2 需求分析与系统方案
  •   2.1 需求分析
  •     2.1.1 大兴安岭北部林区冻土监测系统概况
  •     2.1.2 现场通信和供电环境情况
  •     2.1.3 现有LoRa模块存在的问题
  •   2.2 无线通信技术的比较与选择
  •   2.3 系统方案设计
  •     2.3.1 大兴安岭北部林区冻土监测系统整体方案
  •     2.3.2 LoRa通信装置的设计方案
  •     2.3.3 主要技术指标
  •   2.4 研究目标和工作安排
  •     2.4.1 系统的研究目标
  •     2.4.2 项目的工作安排
  •   2.5 本章小结
  • 3 LoRa通信装置关键参数及接口的设计
  •   3.1 LoRa通信模块的选型及接口设计
  •     3.1.1 LoRa通信的原理
  •     3.1.2 LoRa通信模块的选型
  •     3.1.3 AS32-TTL-1W型模块及接口设计
  •   3.2 LoRa通信装置供电系统关键参数的设计
  •     3.2.1 LoRa通信装置供电系统的设计原理
  •     3.2.2 子站通过分中心上报的通信过程
  •     3.2.3 通信过程总时间和总字节数的测量
  •     3.2.4 子站向分中心发送数据帧总时间的测量
  •     3.2.5 LoRa模块和控制系统消耗电荷量的计算
  •     3.2.6 太阳能电池板给超级电容充电时间测定实验
  •     3.2.7 太阳能供电系统关键参数的选择设计
  •   3.3 本章小结
  • 4 LoRa通信装置的软硬件设计
  •   4.1 LoRa通信装置的系统框架设计
  •     4.1.1 硬件处理器的选型
  •     4.1.2 LoRa通信装置的硬件框架
  •     4.1.3 软件开发工具的选择
  •     4.1.4 STM32L476底层设计
  •     4.1.5 LoRa通信装置的软件总体框架
  •   4.2 LoRa通信装置的硬件设计
  •     4.2.1 STM32L476微控器模块电路
  •     4.2.2 电源模块电路设计
  •     4.2.3 LoRa模块通信电路
  •     4.2.4 铁电存储器接口电路
  •     4.2.5 串口通信电路
  •   4.3 RC积分方法测量超级电容电压软件设计及误差分析
  •     4.3.1 RC积分方法测量超级电容电压原理
  •     4.3.2 计数脉冲周期的标定
  •     4.3.3 RC积分方法测量超级电容电压软件设计
  •     4.3.4 电源电压值和理论电压值的线性拟合
  •     4.3.5 超级电容电压值的误差分析
  •   4.4 LoRa通信装置的软件设计
  •     4.4.1 系统控制LoRa模块上电的软件设计
  • 2C总线软件设计'>    4.4.2 I2C总线软件设计
  •     4.4.3 多个子站上报监测数据的软件设计
  •   4.5 本章小结
  • 5 系统测试与结果分析
  •   5.1 PCB设计和实物制作
  •   5.2 硬件平台的搭建
  •   5.3 LoRa模块通信距离的测量
  •   5.4 系统测试与结果分析
  •     5.4.1 系统控制LoRa模块上电的功能测试
  •     5.4.2 多个子站上报监测数据的功能测试
  •   5.5 本章小结
  • 6 结论
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘申

    导师: 雷斌,陈继

    关键词: 通信技术,冻土监测,超级电容,模块

    来源: 西安工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

    专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,建筑科学与工程,电信技术,计算机软件及计算机应用

    单位: 西安工业大学

    基金: 导师与中国科学院的合作项目—《大兴安岭北部林区冻土工程监测系统》

    分类号: TP391.44;TN929.5;P642.14

    DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000266

    总页数: 76

    文件大小: 7850K

    下载量: 72

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