基于LoRa的农业多参数监测物联网电路系统的制作方法

本实用新型涉及一种农业物联网电路系统，更具体说，它是基于LoRa的低功耗农业物联网电路系统。

背景技术：

随着物联网技术的发展与应用，利用现代科技手段进行农业生产的智能化监测与管理已经成为我国现代农业研究和发展的必然趋势。智能农业是以与农作物生长最为密切的环境温湿度、光照强度、CO2浓度等参数为控制目标，实现数据采集、传输、监测和调控。让农业生产由主要依靠自然资源环境和人力资源向主要依靠信息资源转变，增加农业管理的可控性，节约劳动成本，对提高农业产量，促进国民经济发展有重要意义。近年来，我国农业温室的种植规模不断扩大，对监测系统传感器组网的覆盖范围提出更高的要求，针对大型农业温室的实际发展状况，开发出一套适用于种植规模大、环境复杂的温室监测系统己成为迫切的需求。

数据传输的方式有很多种，传统的有线通信方式因其布线困难、成本高等因素已经很少用于农业物联网；GSM和GPRS等移动通信是付费的通信方式，对于部署大量节点传输数据的农业监测网络来说成本上大大增加；ZigBee和WiFi等短距离通信技术已经被广泛用于农业物联网中，由于通信距离的局限，无法满足区域面积较大的农业物联网监测系统。在传感器网络中，节点的能量消耗问题直接影响监测系统的生命周期，并且能量消耗主要来自于节点之间在进行数据传输时的通信模块。农业无线传感网的低功耗和通信距离不可兼得是阻碍其进一步普及的瓶颈。

本电路系统设计选择最近几年新兴的LoRa无线通信技术实现传感器节点组网，LoRa是低功耗广域物联网的一种长距离无线通信技术，主流的低功耗广域网中通信速率一般低于100kbit/s，LoRa技术的优点是广覆盖和低功耗，不足是数据传输速率低，相比于其他几种通信方式，LoRa技术更加适合大型农业生产环境监测。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种无线低功耗可自组网的农业多参数监测物联网电路系统。

基于LoRa的农业多参数监测物联网电路系统，包含电源模块、RTC时钟模块、传感器电路模块、LoRa无线通信模块、MAX485和MAX 232接口模块以及单片机模块；所述电源模块包括电源芯片U1、电源芯片U3、三极管Q1和MOS管U2，U1的1脚连接C10后接地，U1的2脚连接7V电源，U1的3脚连接L1以及滤波电容后输出3.3V电压，U1的4脚接地，U1的5脚经过R1、C2接至L1，U1的6脚经过R2连接7V电源，U1的7脚连接C11后接地，U1的8脚经过R5、R6连至L1输出端，R6并联有C1，R5和R6之间连有下拉电阻R8；U3的1脚经过滤波电容连接7V电源，U3的2脚经过滤波电容输出5V电压，U3的3脚接地，U3的4脚经过R12和R14分压后连接U3的2脚，U3的5脚连接Q1的2脚，U3的6脚接地；Q1的1脚经过R9及上拉电阻R7后接至单片机5V控制引脚，Q1的2脚经上拉电阻R3连接U3的5脚，Q1的3脚接地；U2的1脚经过R63以及上拉电阻R4后连接单片机3.3V控制引脚，U2的2脚连接3.3V电压，U2的3脚经过滤波电容连接至LoRa无线通信模块的电源输入引脚。

本实用新型的有益效果是:本电路系统针对电源模块电路进行了创新设计：如图3和图4所示，通过单片机利用三极管分别控制VCC3V3B开关和VCC5V电源模块使能管脚，待机时关闭VCC3V3B(LoRa模块、MAX485接口模块、MAX232接口模块供电)和5V电源，达到降低功耗，延长电池寿命的目的。

附图说明

图1硬件框架图；

图2电源模块框图；

图3电源模块电路一；

图4电源模块电路二；

图5 LoRa模组电路；

图6 RTC实时时钟电路；

图7 MAX232接口电路；

图8 MAX485接口电路；

图9 STM32单片机最小系统电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

这种基于LoRa的农业多参数监测物联网电路系统，包含电源模块、RTC时钟模块、传感器电路模块、LoRa无线通信模块、MAX485和MAX 232接口模块以及单片机模块；所述电源模块包括电源芯片U1、电源芯片U3、三极管Q1和MOS管U2，U1的1脚连接C10后接地，U1的2脚连接7V电源，U1的3脚连接L1以及滤波电容后输出3.3V电压，U1的4脚接地，U1的5脚经过R1、C2接至L1，U1的6脚经过R2连接7V电源，U1的7脚连接C11后接地，U1的8脚经过R5、R6连至L1输出端，R6并联有C1，R5和R6之间连有下拉电阻R8；U3的1脚经过滤波电容连接7V电源，U3的2脚经过滤波电容输出5V电压，U3的3脚接地，U3的4脚经过R12和R14分压后连接U3的2脚，U3的5脚连接Q1的2脚，U3的6脚接地；Q1的1脚经过R9及上拉电阻R7后接至单片机5V控制引脚，Q1的2脚经上拉电阻R3连接U3的5脚，Q1的3脚接地；U2的1脚经过R63以及上拉电阻R4后连接单片机3.3V控制引脚，U2的2脚连接3.3V电压，U2的3脚经过滤波电容连接至LoRa无线通信模块的电源输入引脚。

本电路系统是以STM32F103RCT6单片机为控制核心，利用SX1278射频芯片实现无线传感器网络组网，包含电源模块、电源控制模块、实时时钟模块、传感器电路模块、LoRa无线通信模块、MAX485和MAX 232接口模块以及单片机最小系统。

如图1所示，本电路电路主要包括电源模块、电源控制模块、实时时钟、传感器电路模块、LoRa无线通信模块以及单片机最小系统等。

如图2所示，电源模块是整个设计的动力系统，为各电子器件稳定工作提供保障，因此电源模块的性能是否稳定决定了系统能否可靠运行。电源供电的稳定性是系统正常工作的前提，在电源电路的设计上要综合考虑每个模块的供电电压范围、最大工作电流、功耗等，选择符合要求的电压转换芯片。考虑到在温室大棚中布置电力线的难度和高成本，本系统采用锂电池供电，锂电池主要的具有高能量、污染小、无记忆效应、可连续充放电的特点。电源供电，主要给温湿度传感器和光照传感器供电3.3V，CO2传感器供电5V，STM32和SX1278供电3.3V。

如图3所示，7.4V电池输入，通过电源芯片转换得到3.3V和5V电压输出。3.3V为单片机、LoRa模块、MAX232接口模块、MAX485接口模块和RTC实时时钟模块供电，5V为传感器供电。为了防止农业人员工作时出现电源反接，导致烧坏设备的情况，本设计特别设计保护电路。一般来说，根据二极管的单向导电性，可以在电源的正极串接一个二极管，但是二极管有压降，就会产生额外的功耗，尤其是在电池供电的场合，锂电池本身是3.7V，二极管压降就达到0.6V。

如图4所示，电源控制电路通过单片机引脚控制LoRa模块、MAX232模块、MAX485模块和四类传感器电源开关。本电源控制电路创新地通过单片机利用三极管分别控制VCC3V3B开关和VCC5V电源模块使能管脚，待机时关闭VCC3V3B(LoRa模块、MAX485接口模块、MAX232接口模块供电)和5V电源，达到降低功耗，延长电池寿命的目的。

如图5所示，LoRa模组电路通过SPI与单片机通信，用于和网关之间数据收发。无线通信模块设计是本系统的关键一环，从传输距离、低功耗和通信可靠性多方面考虑，同时要兼顾小型化、简便化、可扩展性等因素，本设计最终采用Semtech公司生产的基于LoRa扩频调制技术的低功耗无线射频收发芯片SX1278。SX1278可以软件配置内部资源，用户可以根据需求通过编程确定扩频调制带宽(BW)、纠错率(CR)、扩频因子(SF)，带宽范围是7.8～500kHz，扩频因子是6～12，工作在ISM免费频段，中心频点有433MHz、470MHz等，通信距离最远可达五公里。SX1278还支持标准的FSK、GFSK和OOK等调制模式，因此可以与M-BUS系统、IEEE802.15.4协议等兼容。

如图6所示，RTC实时时钟采用DS3231，是一款高精度I2C实时时钟器件，具有集成的温度补偿晶体振荡器。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确计时。集成的晶体振荡器可提高器件的长期精确度。DS3231的寄存器能保存秒、分、时、星期、日期、月、年和闹钟设置等信息。少于31天的月份，可自动调整月末日期，包括闰年补偿。时钟的工作格式为24小时或带AM/PM指示的12小时格式。DS3231提供两个可编程日历闹钟和一路可编程方波输出。DS3231与单片机通过I2C双向串行总线传输地址与数据。

如图7所示，MAX232接口电路用于TTL电平和232电平转换，使环境温湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器和单片机之间可以通信，通过UART与单片机通信。

如图8所示，MAX485接口电路用于TTL电平和485电平转换，使环境温湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器和单片机之间可以通信，通过UART与单片机通信。

如图9所示，STM32单片机最小系统电路，单片机负责数据处理及控制外围设备。在嵌入式应用开发过程中，有效的控制MCU的运行对于整个系统的低功耗来说是必要的。意法半导体(ST)公司推出基于Cortex-M3内核的微控制器STM3系列的超低功耗处理器芯片，采用130rim专用低漏电流制造工艺结合优化的节能架构，主要适合于对低功耗有特殊要求的应用场景，本设计选择的是STM32F103RCT6。单片机作为系统的核心控制器，其外围电路不可或缺，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、BOOT启动选择电路和SWD下载调试电路。