基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統的制作方法
【專利摘要】基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，本發明克服了現有的氣體濃度和顆粒物濃度監測系統的高功耗，且不能滿足戶外情況下的監測的精度，不能保證空氣質量信息的時效性和有效性的缺陷，本發明能夠最大限度的實現遠通信距離。該系統功耗較低，安裝有SO2、NO2、O3、CO氣體傳感器、PM1、PM2.5、PM10顆粒傳感器。此系統可以感應自然情況下戶外空氣中SO2、NO2、O3、CO氣體的濃度，PM1、PM2.5、PM10濃度。通過LoRa的無線技術將數據傳給中央主機，電腦即可查看實時的氣體數據。本發明區別于傳統的氣體濃度以及顆粒物濃度監測系統的基于WIFI、ZIGBEE、3G、2G等無線通信方式，本發明通過LoRa技術進行數據傳輸。
【專利說明】
基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統
技術領域
[0001]本發明涉及氣體濃度監測領域，特別是高精度戶外多種氣體以及顆粒物濃度監測的領域下的基于無線LoRa技術的高精度多種氣體和顆粒物的監測。
【背景技術】
[0002]空氣質量日益惡劣，污染空氣對人們的健康形成威脅。尤其是大氣顆粒物相比對人體健康和大氣環境質量的影響更大。大氣中的顆粒物粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。對于復雜的空氣成分，可以針對多種氣體濃度和顆粒物濃度的測量也變得尤為重要。目前，常用的空氣監測系統多數安裝在固定位置有效監測空氣中主要污染物氣體的濃度通過WIF1、ZIGBEE、3G、2G等無線通信方式傳送給中央處理器。此類空氣監測系統的體積大、功耗大、重量大、無線通信距離近。目前市場上的空氣質量監測系統，可測量的氣體種類少、精度低、通訊距離近、功耗大、需要有線電源不便于安防。
[0003]LoRa技術是基于IGHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術(簡稱LoRa)的芯片。LoRa融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術。新型的擴頻技術，大大的改善了接收的靈敏度，其接收靈敏度達到了 _148dbm。高達157db的鏈路預算使其通信距離可達15公里(與環境有關)。由于使用一種特殊的擴頻技術，這使得不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾。在此基礎上研發的集中器/網關(Con cent rat or/Gateway)能夠并行接收并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結果差距為28dB，這相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環境下，6dB的差距就可以實現兩倍于原來的傳輸距離。密集的城市環境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區，覆蓋范圍可達10公里。
[0004]LoRa技術是一種有低功耗、遠距離、高靈敏度、高抗干擾能力的無線通信技術。適用于遠距離通信控制系統，可嵌入任何系統中。由于其可以為用戶提供無線遠距離數據傳輸功能，因此在物聯網領域具有非常強的可應用性。在空氣監測系統中可以很好的發揮遠距離低功耗的優勢。
[0005]為此，本發明完成了一種基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測終端系統。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供了一種基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，區別于傳統的氣體濃度以及顆粒物濃度監測系統的基于WIF1、ZIGBEE、3G、2G等無線通信方式。本發明通過LoRa技術進行數據傳輸。
[0007]本發明克服了現有的氣體濃度和顆粒物濃度監測系統的高功耗，且不能滿足戶外情況下的監測的精度，不能保證空氣質量信息的時效性和有效性的缺陷，本發明能夠最大限度的實現遠通信距離。該終端功耗較低，安裝有S02、N02、03、C0氣體傳感器、PM1、PM2.5、PM 1顆粒傳感器。此系統可以感應自然情況下戶外空氣中SO2、NO2、O3、⑶氣體的濃度，PM 1、PM2.5、PM10濃度。通過LoRa的無線技術將數據傳給中央主機，電腦即可查看實時的氣體數據。
[0008]本發明可以通過以下技術方案來實現:
[0009]為實現上述目的本發明的設計方案為物聯網應用下基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，該系統設備終端包括外殼體和系統電路板;系統電路板上設有電源開關、系統復位按鍵、UART接口、USB充電接口、聚合物鋰電池、聚合物鋰電池過充過放保護模塊、太陽能電池板、LoRa模塊、AD模塊、SO2氣體傳感器模塊、NO2氣體傳感器模塊、O3氣體傳感器模塊、CO氣體傳感器模塊、PMl顆粒物傳感器模塊、PM2.5顆粒物傳感器模塊、PMlO顆粒物傳感器模塊;系統電路板固定在外殼體內，外殼體為一規則長方體。
[0010]基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統分為設備終端和用戶數據顯示界面。設備終端分為四大部分:電源供電部分、MCU系統控制部分、數據采集部分、數據傳送部分，MCU系統控制部分分別與電源供電部分、數據采集部分、數據傳送部分相連；電源管理部分由充放電管理電路、太陽能電池板和電池電壓監測電路組成;MCU系統控制部分由M⑶、電源開關、復位電路、JLINK調試接口、AD芯片組成;數據采集部分由S02、N02、
O3、⑶氣體傳感器、PMl、PM2.5、PMlO顆粒傳感器、UART接口、AD接口組成；數據傳送部分由LoRa模塊組成。
[0011]MCU系統控制部分為本系統設備終端的控制核心部分，太陽能電池板和聚合物鋰電池組合為系統的電源存儲和供給單元;太陽能電池板采集光能，經過光電轉換，轉換成電能存放在聚合物鋰電池中。存儲有電能的聚合物鋰電池經過降壓穩壓電路通過USB接口和MCU連接，完成給MCU系統控制部分供電，通過電源開關控制開啟MCU系統控制部分的供電功能和關閉MCU系統控制部分的供電功能;本系統設備終端將聚合物鋰電池輸出與電源管理部分相連，目的是同時對鋰電池進行過充和過放保護，穩定輸出3.3V電壓同時監測剩余電量;保障聚合物鋰電給MCU系統和所有傳感器器模塊以及其他各個電路部分的高品質供電，同時有效地保護聚合物鋰電池壽命;在滿足系統供電要求及MCU系統控制部分的調控下，使得SO2、N02、O3、CO傳感器感應所在空間范圍內的待測氣體的濃度，并將濃度信息采集、讀取、傳輸到MCU的AD接口 ；MCU控制AD模塊完成模擬信號數據轉換為數字信號數據，數據通過DMA存儲到存儲單元;PMl、PM2.5、PM10顆粒濃度采集模塊感應所在空間范圍內的待測氣體中顆粒物的濃度通過UART的讀寫模式將數據傳輸給MCU;MCU將所有的氣體濃度和顆粒物濃度數據寫給LoRa模塊，通過LoRa的通信形式將數據傳送給其他終端。
[0012]用戶數據顯示界面包括數據顯示界面和數據存儲。方便用戶查看數據，儲存數據和進行部分數據的提取和處理。
[0013]本發明可作為在戶外自然情況下實時監測系統、基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測終端系統，具有高精度，體積小，重量輕，超低功耗，自供電，可更換傳感器，傳輸距離長，無線傳輸控制等特點。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的電路的結構連接圖；
[0015]圖中:1、系統復位電路，2、電池電量采集電路，3、太陽能采集控制電路，4、鋰電池，
5、M⑶，6、SO2濃度采集模塊電路，7、NO2濃度采集模塊電路，8、O3濃度采集模塊電路，9、⑶濃度采集模塊電路，1、PMl、PM2.5、PMl O顆粒濃度采集模塊，11、LoRa模塊控制電路，12、AD接口，13、UART 接口。
[0016]圖2為本發明的用戶終端顯示界面圖；
【具體實施方式】
[0017]以下將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0018]本發明包括兩個部分:用戶終端顯示界面和高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測終端。用戶終端顯示界面將LoRa傳送來的數據在界面上直觀顯示。并有回放和存儲功能。方便用戶隨時調取之前的數據和直觀分析現有數據。用戶界面是有LabVIEW軟件使用框圖程序語言編寫而成。分為前面板和程序框圖。所有數據的讀取、處理、顯示在程序框圖部分進行處理得到。所有使用功能在前面板用簡單的圖形進行提示和表示，用戶點擊即可實現相應功能。處理所得到的數據在前面板的數據顯示區顯示，供用戶查看。
[0019]圖1為本發明的電路的結構連接圖。系統電路板上設有系統復位電路1、電池電量采集電路2、太陽能采集控制電路3、鋰電池4、3.3 V降壓穩壓電路5、SO2濃度采集模塊電路6、NO2濃度采集模塊電路7、03濃度采集模塊電路8、0)濃度采集模塊電路9、?11、？12.5、？110顆粒濃度采集模塊1、LoRa模塊控制電路11、AD接口 12、UART接口 13。
[0020]系統復位電路I與MCU相連，使整個電路系統復位。
[0021]電池電量采集電路2與M⑶和鋰電池正極和負極相連。電池電量采集電路2由M⑶控制，當MCU的控制端為高電平時采集鋰電池的電壓，通過電阻分壓后，輸入到MCU的端口。MCU內置有AD轉換器，通過讀取電壓的數值和算法轉換后，得到鋰電池的當前電量。
[0022]鋰電池4連接太陽能采集控制電路3和電池電量采集電路2用于儲存由太陽能轉化的電能。
[0023]3.3V降壓穩壓電路5和鋰電池4連接以及MCU相連，通過開關控制著電池和穩壓電路的連接。當開關打開時，穩壓電路開始工作。將鋰電池輸出的電壓從12V降至3.3V，持續穩定的輸出3.3V電壓，為MCU、SO2濃度采集模塊電路6、NO2濃度采集模塊電路7、O3濃度采集模塊電路8、C0濃度采集模塊電路9、PM1、PM2.5、PM10顆粒濃度采集模塊10，LoRa模塊控制電路11供電。
[0024]SO2濃度采集模塊電路6連接MCU AO2傳感器檢測SO2氣體時，進行化學反應，其輸出端產生電流輸出。隨著檢測氣體的濃度變化輸出電流也隨之正比變化。輸出的電流信號經過一系列處理之后，信號傳送給A/D模塊將模擬信號轉換成數字信號。所選傳感器為四電極傳感器，傳感器增加了另一個工作電極，稱之為輔助電極。輔助電極的訊號可以用來抵消溫度變化的影響或者用來提高傳感器的選擇性。用了第四電極可以使傳感器的訊號更穩定，對被測量氣體有著特性的響應，所以可以得到較為精準的SO2濃度。SO2傳感器的量程為Ο-? Oppm ，分辨率0.0lppm，相應時間小于60s。
[0025]NO2濃度采集模塊電路7連接MCU的AD部分。NO2傳感器檢測到NO2氣體時，進行化學反應，其輸出端以電流輸出。隨著檢測氣體的濃度變化輸出電流也隨之正比變化。輸出的電流信號經過一系列處理之后，信號傳送給A/D模塊將模擬信號轉換成數字信號。所選傳感器為四電極傳感器，傳感器增加了另一個工作電極，稱之為輔助電極。輔助電極的訊號可以用來抵消溫度變化的影響或者用來提高傳感器的選擇性。用了第四電極可以使傳感器的訊號更穩定，對被測量氣體有著特性的響應，所以可以得到較為精準的NO2濃度。NO2傳感器的量程為0-20ppm，分辨率0.02ppm，相應時間小于20s。
[0026]O3濃度采集模塊電路8連接MCU的AD部分。O3傳感器檢測到O3氣體時，進行化學反應，其輸出端以電流輸出。隨著檢測氣體的濃度變化輸出電流也隨之正比變化。輸出的電流信號經過一系列處理之后，信號傳送給A/D模塊將模擬信號轉換成數字信號。所選傳感器為四電極傳感器，傳感器增加了另一個工作電極，稱之為輔助電極。輔助電極的訊號可以用來抵消溫度變化的影響或者用來提高傳感器的選擇性。用了第四電極可以使傳感器的訊號更穩定，對被測量氣體有著特性的響應，所以可以得到較為精準的O3濃度。O3傳感器的量程為0-2ppm，分辨率0.0Olppm，相應時間小于I OOs。
[0027]CO濃度采集模塊電路9感應到CO氣體時，產生化學反應其輸出端產生電流輸出，起著將化學能轉化為電能的作用。當氣體濃度發生變化時，氣體傳感器的輸出電流也隨之成正比變化。輸出的電流信號經過一系列處理之后，信號傳送給A/D模塊將模擬信號轉換成數字信號。在經過A/D模塊將模擬信號轉換成待處理的數字信號等待處理。所選傳感器為四電極傳感器，傳感器增加了另一個工作電極，稱之為輔助電極。輔助電極的訊號可以用來抵消溫度變化的影響或者用來提高傳感器的選擇性。用了第四電極可以使傳感器的訊號更穩定，對被測量氣體有著特性的響應，所以可以得到較為精準的CO濃度。CO傳感器的量程為0-2ppm，分辨率0.0lppm，相應時間小于25s。
[0028]?11、？12.5、？110顆粒濃度采集模塊10以1^1^的方式連接10]。顆粒物傳感器采用激光散射原理。即令激光照射在空氣中的懸浮物顆粒上產生散射。同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線。進而進行微處理器進行基于米氏(MIE)理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。MCU以UART的方式控制PMl、PM2.5、PM10顆粒濃度采集模塊工作和接收數據，數據分辨率達到lug/m3。
[0029]LoRa控制電路11與MCU相連。MCU通過UART的方式控制LoRa模塊。的功能是將MCU通過U A R T傳送來的數據遵守控制命令將P M1、P M 2.5、P M1顆粒濃度的信息、氣體濃度信息(S02、N02、03、C0)和電源的信息數據傳送給其他控制器。
[°03°] LoRa通信方式有四種工作方式:I)一般模式;2)喚醒模式;3)休眠模式;4)省電模式。空氣監測系統中主要運用到了喚醒模式和省電模式。主機工作在喚醒模式，當需要分散在各地方的子機的空氣質量監測數據的時候，主機發送喚醒碼。當信道相同的子機接收到所對應的喚醒碼變開始開始發送數據。
[0031]將LoRa通信方式和空氣質量監測系統相結合能夠增大固有空氣質量監測的通信距離同時保證最低功耗。3000米的發射電流僅106mA，休眠電流僅716.757nA，接受電流僅14.5mA。相比于用zigbee方式進行通信的空氣質量監測系統來說，使用LoRa方式進行通信的空氣質量監測通信距離更長。更長的通信距離可以讓系統的分布更加自由，按照需求進行不同距離的安放子機，不在因為通信距離而不得不密集型安放。這樣大大節省子機的數量和提高子機安放的自由度。進行相比于使用WIFI和3G方式進行通信的空氣質量監測系統，使用LoRa方式進行通信的空氣質量監測通信功耗更低。更低的功耗可以保證整體系統供電的負擔減小，適用于自供電方式，大功耗的系統只能采用有源供電。同時功耗的降低大大提高了系統電池的工作時間。
[0032]基于物聯網的背景下，LoRa技術逐漸發展和成熟。將LoRa通信和空氣質量監測相融合將大大推動空氣質量監測的發展。
【主權項】
1.基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于: 該系統設備終端包括外殼體和系統電路板;系統電路板上設有電源開關、系統復位按鍵、UART接口、USB充電接口、聚合物鋰電池、聚合物鋰電池過充過放保護模塊、太陽能電池板、LoRa模塊、AD模塊、S02氣體傳感器模塊、N02氣體傳感器模塊、03氣體傳感器模塊、CO氣體傳感器模塊、PMl顆粒物傳感器模塊、PM2.5顆粒物傳感器模塊、PMlO顆粒物傳感器模塊；系統電路板固定在外殼體內，外殼體為一規則長方體； 基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統分為設備終端和用戶數據顯示界面;設備終端分為四大部分:電源供電部分、MCU系統控制部分、數據采集部分、數據傳送部分，MCU系統控制部分分別與電源供電部分、數據采集部分、數據傳送部分相連;電源管理部分由充放電管理電路、太陽能電池板和電池電壓監測電路組成;MCU系統控制部分由MCU、電源開關、復位電路、JLINK調試接口、AD芯片組成;數據采集部分由S02、N02、03、C0氣體傳感器、PMl、PM2.5、PMlO顆粒傳感器、UART接口、AD接口組成；數據傳送部分由LoRa模塊組成； MCU系統控制部分為本系統設備終端的控制核心部分，太陽能電池板和聚合物鋰電池組合為系統的電源存儲和供給單元;太陽能電池板采集光能，經過光電轉換，轉換成電能存放在聚合物鋰電池中；存儲有電能的聚合物鋰電池經過降壓穩壓電路通過USB接口和MCU連接，完成給MCU系統控制部分供電，通過電源開關控制開啟MCU系統控制部分的供電功能和關閉MCU系統控制部分的供電功能;本系統設備終端將聚合物鋰電池輸出與電源管理部分相連，目的是同時對鋰電池進行過充和過放保護，穩定輸出3.3V電壓同時監測剩余電量;保障聚合物鋰電給MCU系統和所有傳感器器模塊以及其他各個電路部分的高品質供電，同時有效地保護聚合物鋰電池壽命;在滿足系統供電要求及MCU系統控制部分的調控下，使得SO2、NO2、O3、CO傳感器感應所在空間范圍內的待測氣體的濃度，并將濃度信息采集、讀取、傳輸到MCU的AD接口 ；MCU控制AD模塊完成模擬信號數據轉換為數字信號數據，數據通過DMA存儲到存儲單元;PMl、PM2.5、PM10顆粒濃度采集模塊感應所在空間范圍內的待測氣體中顆粒物的濃度通過UART的讀寫模式將數據傳輸給MCU; MCU將所有的氣體濃度和顆粒物濃度數據寫給LoRa模塊，通過LoRa的通信形式將數據傳送給其他設備。2.根據權利要求1所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于: 該系統包括兩個部分:用戶終端顯示界面和高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測終端；用戶終端顯示界面將LoRa傳送來的數據在界面上直觀顯示;并有回放和存儲功能；方便用戶隨時調取之前的數據和直觀分析現有數據，用戶界面是有LabVIEW軟件使用框圖程序語言編寫而成，分為前面板和程序框圖；所有數據的讀取、處理、顯示在程序框圖部分進行處理得到;所有使用功能在前面板用簡單的圖形進行提示和表示，用戶點擊即可實現相應功能;處理所得到的數據在前面板的數據顯示區顯示，供用戶查看； 系統電路板上設有系統復位電路(I )、電池電量采集電路(2)、太陽能采集控制電路(3)、鋰電池(4)、3.3V降壓穩壓電路(5)、SO2濃度采集模塊電路(6)、NO2濃度采集模塊電路(7)、03濃度采集模塊電路(8)^0濃度采集模塊電路(9)、?11、?12.5、？110顆粒濃度采集模塊(1)、LoRa模塊控制電路(11)、AD接 口( 12)、UART接 口( 13)。3.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于:系統復位電路(I)與MCU相連，使整個電路系統復位。4.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于:電池電量采集電路(2)與MCU和鋰電池正極和負極相連;電池電量采集電路(2)由MCU控制，當MCU的控制端為高電平時采集鋰電池的電壓，通過電阻分壓后，輸入到MCU的端口；MCU內置有AD轉換器，通過讀取電壓的數值和算法轉換后，得到鋰電池的當前電量。5.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于:鋰電池(4)連接太陽能采集控制電路(3)和電池電量采集電路(2)用于儲存由太陽能轉化的電能。6.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于:3.3V降壓穩壓電路(5)和鋰電池(4)連接以及MCU相連，通過開關控制著電池和穩壓電路的連接；當開關打開時，穩壓電路開始工作;將鋰電池輸出的電壓從12V降至.3.3V，持續穩定的輸出3.3V電壓，為MCU、SO2濃度采集模塊電路(6)、NO2濃度采集模塊電路(7)、03濃度采集模塊電路(8)^0濃度采集模塊電路(9)、?11、?12.5、？110顆粒濃度采集模塊(1)，LoRa模塊控制電路(11)供電。7.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于:PMl、PM2.5、PM10顆粒濃度采集模塊(10)以UART的方式連接M⑶;顆粒物傳感器采用激光散射原理；即令激光照射在空氣中的懸浮物顆粒上產生散射；同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線;進而進行微處理器進行基于米氏理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量;MCU以UART的方式控制PMl、PM2.5、PM10顆粒濃度采集模塊工作和接收數據。8.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于:LoRa控制電路(II)與MCU相連;MCU通過UART的方式控制LoRa模塊；的功能是將MCU通過UART傳送來的數據遵守控制命令將PMl、PM2.5、PM10顆粒濃度的信息、氣體濃度信息和電源的信息數據傳送給其他控制器。9.根據權利要求2所述的基于LoRa的高精度氣體濃度以及顆粒物濃度自供電監測系統，其特征在于= LoRa通信方式有四種工作方式:I)一般模式;2)喚醒模式;3)休眠模式;4)省電模式;空氣監測系統中主要運用到了喚醒模式和省電模式;主機工作在喚醒模式，當需要分散在各地方的子機的空氣質量監測數據的時候，主機發送喚醒碼，當信道相同的子機接收到所對應的喚醒碼變開始開始發送數據； 將LoRa通信方式和空氣質量監測系統相結合能夠增大固有空氣質量監測的通信距離同時保證最低功耗；3000米的發射電流僅106mA，休眠電流僅716.757nA，接受電流僅.14.5mA;相比于用zigbee方式進行通信的空氣質量監測系統來說，使用LoRa方式進行通信的空氣質量監測通信距離更長;更長的通信距離可以讓系統的分布更加自由，按照需求進行不同距離的安放子機，不在因為通信距離而不得不密集型安放;這樣大大節省子機的數量和提高子機安放的自由度；進行相比于使用WIFI和3G方式進行通信的空氣質量監測系統，使用LoRa方式進行通信的空氣質量監測通信功耗更低;更低的功耗可以保證整體系統供電的負擔減小，適用于自供電方式，大功耗的系統只能采用有源供電；同時功耗的降低大大提高了系統電池的工作時間。
【文檔編號】G08C17/02GK106092842SQ201610460913
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】劉素娟, 夏褚宇
【申請人】北京工業大學