基于LoRa技术的校园环境无线监测系统的设计与实现

摘要

近年来，校园火灾、盗窃等安全事故频发，不仅影响学校师生的办公学习、校园活动的正常开展，而且可能造成大量的人员伤亡与财产损失。而这些事故的发生大多是由于对校园环境的监测不到位、管理不健全、发现不及时所造成，不能在最佳时期及时采取补救措施，最终造成严重后果。目前，针对校园环境监测问题，大多基于RS485总线或者短距离通信的ZigBee实现，存在布线繁琐、通信距离不够、多级路由的缺陷，尚未大规模应用。本文针对上述缺点，设计并实现了基于LoRa技术的校园环境无线监测系统。
　　论文分析校园环境监测的需求并设计了系统架构，完成了各类节点的软硬件设计，较好地解决了降低各类节点功耗并提高无线覆盖范围与节点容量的问题。在此基础上，搭建校园环境无线监测系统，并测试系统功能与性能。具体内容如下:
　　(1)完成了温湿度检测节点、烟雾报警节点、门窗开关检测节点、漏水检测节点等四类LoRa终端的硬件设计、PCB绘制以及电路调试。基于LoRaWAN协议标准，研发了各节点的嵌入式软件。
　　(2)优化了各类节点的功耗和无线传输距离。选用低功耗微控制器与传感器芯片，优化电路设计，去除射频收发开关芯片，分离接收与发射信道等措施，使各类LoRa节点休眠电流降至10uA以下，2000mA·h的一次性锂电池供电下，节点的使用寿命可达3年左右。使节点与网关的室外通信距离可达800m，室内可覆盖10层以下建筑物。
　　(3)结合LoRa网关，完成了校园环境监测平台的搭建。系统包括服务器管理软件、数据展示与分析软件等，并具有系统配置、异常报警、手机APP、短信邮件报警等功能。该系统已经在华中师范大学中科创业学院安装试运行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 校园环境监测的研究现状

1．2．2 LoRa技术的研究现状与特点

1．3 论文主要研究内容及结构安排

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文结构安排

第二章 关键技术及平台简介

2．1 LoRa无线通信技术

2．1．1 LoRa技术概述

2．1．2 LoRa数据包格式

2．1．3 LoRa收发器SX1276

2．1．4 LoRaWAN网络协议

2．2 超低功耗微控制器STM32L073RZT6

2．3 软件开发平台Linux系统

2．4 轻量级消息传输协议MQTT

2．5 简易数据传输格式JSON

2．6 本章小结

第三章 校园环境监测系统整体框架设计

3．1 校园环境监测的需求分析

3．2 系统整体框架设计

3．3 网络通信协议设计

3．4 本章小结

第四章 LoRa节点硬件设计与实现

4．1 基于SHT20的温湿度检测节点设计

4．2 光电式的烟雾报警节点设计

4．3 基于干簧管的门窗开关检测节点设计

4．4 基于漏水传感电缆的漏水检测节点设计

4．5 LoRa节点低功耗设计与实现

4．6 射频电路的优化设计与实现

4．7 本章小结

第五章 系统软件设计与实现

5．1 LoRa节点嵌入式软件设计与实现

5．1．1 温湿度检测节点

5．1．2 烟雾报警检测节点

5．1．3 门窗开关检测节点

5．1．4 漏水检测节点

5．2 LoRa服务器的设计与实现

5．2．1 LoRA服务器系统平台的搭建

5．2．2 PostgreSQL数据库设计

5．2．3 服务器应用层脚本设计

5．3 本章小结

第六章 系统测试与结果分析

6．1 系统性能测试

6．1．1 LoRa节点功耗测试

6．1．2 通信距离测试

6．2 系统功能测试

6．2．1 正常展示功能测试

6．2．2 异常报警功能测试

6．3 测试结果分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间获得的成果

致谢