一种基于LoRa的船基低功耗海水温度测量系统的制作方法

本实用新型涉及海水温度采集技术领域，特别是涉及一种基于LoRa的船基低功耗海水温度测量系统。

背景技术：

对海水温度测量的方法一般分为四大类：1，常见的是用水银温度计进行测量，这种办法简单易行，但需要人工读取和记录，需要消耗大量的人力。2，卫星遥感测温，这种方法是利用海面辐射光谱进行温度反演的间接测量，适合大面积水域的测量，需要依靠现场测量进行定标，对软硬件有较高的要求，且实时性较差，成本较高。3，红外测温，是一种非接触测量，测量范围较广，灵敏度高，但是容易受到环境的影响，只是限于测量物体的表面温度还必须准确的确定被测物体的辐射率。4，传感器测温，这种方法可以实时采集温度，灵敏度高，可长期进行温度的采集，在现场布线设置好传感器系统后，只需要定期进行维护和校验，成本较低。其缺点是系统需要设计布线，早期工程量较大，而且测温节点位置不易灵活移动。

随着物联网技术飞速发展，在一些领域得到广泛应用，无线智能产品代替人力的趋势将会越来越明显，必将改变现有的海水温度测量状况。无线传感器网络一般采用的是Zigbee，蓝牙4.0和WiFi技术，对于无线传感器网络，节能是至关重要的，蓝牙4.0和WiFi技术是一种功耗较高，短距离技术，不能满足要求。因此一般采用Zigbee无线网络技术进行数据的采集，Zigbee技术功耗低，短距离传输，低速率，网络容量大，但是对船体而言，船上电磁环境复杂，且海水温度测量范围较广，因此对传输距离要求较高，Zigbee传输距离为75m左右，并不能满足海水温度的测量。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于LoRa的船基低功耗海水温度测量系统，能够自动采集温度数据，传输距离远，低功耗并减少人力物力的投入。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于LoRa的船基低功耗海水温度测量系统，包括测温节点，网关和用户终端，所述测温节点安装在船体或浮标上用于检测海水温度，所述测温节点装有LoRa传输用的第一天线，通过时分复用TDMA协议实现与所述网关进行通讯，所述网关同样装有LoRa传输用的第二天线，所述网关还通过串口将数据传输所述用户终端，所述用户终端用于将测温节点采集到的数据存储和记录。

所述测温节点包括第一单片机、电源模块、第一LoRa模块及温度传感器模块，所述第一单片机分别与电源模块、第一LoRa模块和温度传感器模块相连，所述第一LoRa模块还与第一天线相连。

所述第一LoRa模块采用安信可的LoRa模块。

所述温度传感器模块采用DS18B20数字式温度传感器。

所述电源模块为ER34615的锂亚硫酰氯电池。

所述网关包括第二单片机、第二LoRa模块和串口通信模块，所述第二单片机分别与第二LoRa模块和串口通信模块相连，所述第二LoRa模块连接有第二天线。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型利用LoRa无线传感器网络技术，进行数据的采集与传输，制作一种可自动化采集温度数据的低功耗温度测量系统，可稳定采集传输温度信息，该测温节点具有体积小，功耗低，传输距离远的特点，可用于大面积水产养殖温度的采集。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的测温节点示意图；

图3是本实用新型的通信协议流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种基于LoRa的船基低功耗海水温度测量系统，如图1所示，包括测温节点1，网关2和用户终端3，所述测温节点1安装在船体或浮标上用于检测海水温度，所述测温节点1装有LoRa传输用的第一天线，通过时分复用TDMA协议实现与所述网关进行通讯，所述网关2同样装有LoRa传输用的第二天线，所述网关2还通过串口将数据传输所述用户终端，所述用户终端3用于将测温节点采集到的数据存储和记录。

标志的电路部分可以实现通过传感器采集温度并通过无线通讯技术将数据传输至用户终端。如图2所示，测温节点主要包括单片机控制电路，LoRa模块，电源模块和温度传感器模块等几部分组成。单片机为其控制中心，各电路在单片机的控制下协同工作。其中无线通信网络，处于发送模式下可根据不同的传输范围及功耗要求，设置不同的发射功率，本实施方式中LoRa模块采用安信可的LoRa模块，其通信过程可以调整扩频因子(SF)、纠错编码率(CR)和调制带宽(BW)三个关键的设计参数进行优化，在数据速率、抗干扰性、链路预算改善和频谱占用度之间达到更好的平衡。温度传感器采用的是DS18B20数字式温度传感器，单总线可以挂接多个，单片机可以与多片通信，可根据温度采集需求，进行适当的扩展。电源模块为测温节点供电，不依赖外部电源，采用型号为ER34615的锂亚硫酰氯电池。所述网关主要包括单片机、LoRa模块和串口通信模块，单片机为其控制中心，各个模块在单片机的控制下协同工作。LoRa模块也采用安信可的LoRa模块，通过天线可与测温节点的LoRa模块进行通信，从而实现测温节点和网关之间的数据交互。串口通信模块采用CM1241串行通信模块，通过该串行通信模块可以实现与用户终端的数据通信。值得一提的是，本实施方式中测温节点和网关采用的单片机可以是STM32f0系列的单片机。

在测温节点工作时，设置好数据采集时间的间隔，将时间分割成周期性的时帧，把时帧再分为互不重叠的时隙，测温节点按照分割的时隙访问信道，避免冲突，不存在碰撞的问题，在非传输时隙节点可以进入睡眠模式，从而降低系统的功耗，在测温节点处于发送模式下，将采集到的数据通过LoRa模块传送至网关。

LoRa调制技术采用的是基于线性调频信号扩频技术，同时结合了前向纠错编码和数字信号处理技术，与传统的FSK调制技术相比，不仅扩大了无线通讯链路的覆盖范围，而且还保持了低功耗的性能。SX1278采用的频段为ISM频段433MHz，在中国无需授权许可。

基于LoRa的船基低功耗海水温度测量节点的工作具体流程如图3所示，具体描述如下：

a.上电，首先对测温节点的单片机、LoRa模块、DS18B20进行初始化操作。

b.测温节点放置在无线传感器网络中，网关将时隙分为固定的个数，进行时隙的同步。

c.网关全网搜索同步帧，建立时隙分配信息，节点处于接收模式，判断是否进入无线传感器网络中。

d.关闭测温节点，单片机和LoRa模块进入睡眠模式，以节约电能。

e.单片机被唤醒，查询是否为本测温节点时隙，如果为本时隙，进入发送模式，否则继续休眠。

f.唤醒温度传感器模块，进行温度采集。

g.将采集到的数据包通过SPI接口传至LoRa模块，设置FIFO访问指针，向FIFO中填入待发送的温度数据，SX1278由DIO0映射到发送中断，节点进入发送模式。

h.唤醒LoRa模块，进入发送模式，发送前导码信息，建立通讯链路。

i.数据通过LoRa模块进行传输，直至传输至网关。

j.网关通过串口将数据传输到用户终端，数据在PC机上进行存储。

k.转至步骤d，系统再次进入睡眠模式，等待下次时隙的到来。

不难发现，本实用新型的测温节点，与普通的温度采集产品相比，具有低功耗，传输距离远，操作简便，便利性强等特点，可安装在船体上或者浮标上进行温度信息的自动化采集，可节省数据采集过程中的人力成本，特别适用于范围广，对温度要求较高的人工养殖区域。