基于LoRa无线组网技术的低功耗农业气象监测系统设计

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基于LoRa无线组网技术的低功耗农业气象监测系统设计疏玉兵阜阳师范大学
农业气象监测系统是一套能自动监测气象环境要素,实时转发或上传所监测的气象环境数据至云平台,并及时向用户发出预警的系统。目前,我国的气象监测系统中气象设备数量上设置的过于单一,系统中的软硬件功耗都相对较高,所采集的气象数据的准确性与整个系统长期使用的稳定性均需提升。因此,根据当前社会的需要和国内农业气象监测系统现状,本文提出了一种基于LoRa无线组网技术的低功耗农业气象监测系统。本文主要工作如下1)对农业气象监测系统进行软硬件低功耗设计。硬件上完成了开关功耗设计、低功耗微处理器电路监控、静态功耗设计,实现了电路PCB硬件上的低功耗设计。软件上完成了无线网络协议中用来射频状态调度的MAC层低功耗设计、MCU休眠唤醒切换机制设计;再结合编译优化等级、指令排序等一些降低软件功耗的方法,实现软件上的低功耗设计。(2)采用超低功耗微控制器STM32G0为主控芯片;Modbus-RTU协议来对气象传感器的数据进行采集;LoRa无线组网通信技术进行气象数据的中继或转发,实现各个子气象站之间的低功耗远距离可靠通信;气象网关使用4G或者Wi Fi将设备接入互联网,上传气象数据至云平台;将Flash分为A区和B区,设计Boot Loader实现IAP下载,以及OTA网络远程升级;最后使用MQTT协议和阿里云,实现气象监测云平台和手机APP。(3)采用太阳能充电板、可充电锂电池和外部电源为系统供电。使子气象站在野外工作时能合理利用太阳能资源,锂电池能够在恶劣环境下持续稳定地为子气象站供电,整个气象监测系统也因此具备抵抗自然灾害的能力,保证子气象站能长期在室外独立运行。经过系统测试,本文设计的气象监测系统中的子气象站设备数量可扩展,各个子气象站所采集的气象环境数据精度较好,系统能够稳定地监测大气温湿度、风力风向、雨雪量、光照强度和大气压力等气象要素。子气象站正常工作时,平均运行功耗为1.58W,达到我国气象局所公布的新型气象站功耗要小于等于2W的标准。