基于LPWAN的物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)

基于LPWAN的物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于LPWAN的物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中逐漸得到廣泛關(guān)注。本文從物流環(huán)境狀況監(jiān)測的需求出發(fā)，闡述了基于LPWAN技術(shù)的物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理和實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)進行了詳細(xì)描述。其中，系統(tǒng)硬件部分主要包括傳感器節(jié)點、無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理單元，軟件部分則包括數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等功能。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的基于LPWAN的物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測精度和穩(wěn)定性，能夠為物流行業(yè)提供可靠的環(huán)境狀況監(jiān)測方案。

關(guān)鍵詞：LPWAN，物流，環(huán)境狀況監(jiān)測，傳感器節(jié)點，無線通信模塊

一、引言

隨著物流行業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境狀況監(jiān)測逐漸成為了物流企業(yè)的重要需求。傳統(tǒng)的物流環(huán)境狀況監(jiān)測方式主要依賴于人工巡檢，存在監(jiān)測精度低、監(jiān)測周期長、成本高等問題。為了解決這些問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流環(huán)境狀況監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。其中，基于LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、能耗低、通信距離遠(yuǎn)等特點，逐漸成為了物流環(huán)境狀況監(jiān)測的熱門方案。

本文基于LPWAN技術(shù)，設(shè)計了一種物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)，旨在為物流企業(yè)提供高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的環(huán)境狀況監(jiān)測方案。本文將介紹系統(tǒng)的基本原理和實現(xiàn)方法，詳細(xì)描述系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件開發(fā)過程，并通過實驗驗證系統(tǒng)的性能和有效性。

二、基本原理及實現(xiàn)方法

1.基本原理

物流環(huán)境狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理單元組成。其中，傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集環(huán)境狀況數(shù)據(jù)，無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和接收，數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)的采集、處理和分析等功能。

2.實現(xiàn)方法

系統(tǒng)硬件部分主要包括傳感器節(jié)點、無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理單元，具體實現(xiàn)方法如下：

（1）傳感器節(jié)點設(shè)計：根據(jù)物流企業(yè)的實際需求，選擇相應(yīng)的環(huán)境狀況傳感器，如溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、煙霧傳感器等，并將傳感器與單片機進行連接，通過單片機采集傳感器數(shù)據(jù)并進行處理。

（2）無線通信模塊設(shè)計：根據(jù)物流企業(yè)的通信需求，選擇相應(yīng)的無線通信模塊，如NB-IoT模塊、LoRa模塊等，并將無線通信模塊與單片機進行連接，通過單片機將采集的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送至云端服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計：根據(jù)物流企業(yè)的實際需求，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理單元，如云服務(wù)器、邊緣計算設(shè)備等，并編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、處理和分析程序，完成對數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析等功能。

系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等功能，具體實現(xiàn)方法如下：

（1）數(shù)據(jù)采集部分：采用單片機進行數(shù)據(jù)采集，并通過串口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至無線通信模塊。

（2）數(shù)據(jù)傳輸部分：通過無線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，并接收來自云端服務(wù)器的指令或參數(shù)配置等信息。

（3）數(shù)據(jù)處理部分：通過云端服務(wù)器或邊緣計算設(shè)備進行數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析等功能，實現(xiàn)對環(huán)境狀況數(shù)據(jù)的監(jiān)測和跟蹤。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.傳感器節(jié)點設(shè)計

本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器和煙霧傳感器等三種傳感器進行環(huán)境狀況數(shù)據(jù)采集。其中，溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，大氣壓力傳感器采用BMP280傳感器，煙霧傳感器采用MQ-2煙霧傳感器。傳感器節(jié)點硬件電路圖如下：


其中，J1為溫濕度傳感器接口，J2為大氣壓力傳感器接口，J3為煙霧傳感器接口，J4為單片機接口。

2.無線通信模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用LoRa無線通信模塊進行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，具體硬件電路圖如下：


其中，SX1278為LoRa通信芯片，J5為無線通信模塊接口，J6為單片機接口。

3.數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計

本系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)存儲和處理，硬件電路圖如下：


其中，STM32F103C8T6為控制單元，ENC28J60為以太網(wǎng)模塊，與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)通信。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點使用單片機進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過串口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至無線通信模塊。單片機軟件采用C語言編寫，主要包括初始化傳感器、初始化串口、讀取傳感器數(shù)據(jù)和獲取校驗碼等功能。具體代碼如下：

```

#include"stdio.h"

#include"stm32f10x.h"

#defineDHT11_DATAOUT_GPIO_PORTGPIOA

#defineDHT11_DATAOUT_GPIO_CLKRCC_APB2Periph_GPIOA

#defineDRIVE_DHT11_GPIO_PORTGPIOA

#defineDRIVE_DHT11_GPIO_CLKRCC_APB2Periph_GPIOA

#defineDHT11_DATAOUT_PINGPIO_Pin_1

#defineDHT11_DATAOUT_HIGH()GPIO_SetBits(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN)

#defineDHT11_DATAOUT_LOW()GPIO_ResetBits(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN)

voidSystem_Config(void);

voiddelay_us(u32usec);

voidDHT11_Rst(void);

uint8_tDHT11_Check(void);

uint8_tDHT11_Read_Bit(void);

uint8_tDHT11_Read_Byte(void);

uint8_tDHT11_Read_Data(uint8_t*temp,uint8_t*humi);

voidSystem_Config()

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(DHT11_DATAOUT_GPIO_CLK,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DHT11_DATAOUT_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN);

}

voiddelay_us(u32usec)

{

u32i;

SysTick->LOAD=9*usec;

SysTick->CTRL=0X05;

SysTick->VAL=0;

do

{

i=SysTick->CTRL;

}

while((i&0x01)&&(!(i&SYS_TICK_ERROR))-0x01);

SysTick->CTRL=0x05;

SysTick->VAL=0;

}

voidDHT11_Rst(void)

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(DRIVE_DHT11_GPIO_CLK,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DHT11_DATAOUT_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(DRIVE_DHT11_GPIO_PORT,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN);

delay_us(50000);

GPIO_ResetBits(DRIVE_DHT11_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN);

delay_us(2000);

GPIO_SetBits(DRIVE_DHT11_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN);

delay_us(40);

}

uint8_tDHT11_Check(void)

{

uint8_ti;

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(DRIVE_DHT11_GPIO_CLK,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DHT11_DATAOUT_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(DRIVE_DHT11_GPIO_PORT,&GPIO_InitStructure);

i=DHT11_DATAOUT_PIN;

delay_us(150);

if(DHT11_DATAOUT_PIN)i=0;

delay_us(80);

if(!DHT11_DATAOUT_PIN)i=0;

while(DHT11_DATAOUT_PIN);

returni;

}

uint8_tDHT11_Read_Bit(void)

{

uint8_ti;

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(DRIVE_DHT11_GPIO_CLK,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=DHT11_DATAOUT_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(DRIVE_DHT11_GPIO_PORT,&GPIO_InitStructure);

while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN)==RESET);//等待DHT11的高電平READY信號

delay_us(40);

if(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN)==SET)i=1;elsei=0;

while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_DATAOUT_GPIO_PORT,DHT11_DATAOUT_PIN)==SET);//等待DHT11拉低數(shù)據(jù)總線

returni;

}

uint8_tDHT11_Read_Byte(void)

{

uint8_ti,res=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

res<<=1;

res|=DHT11_Read_Bit();

}

returnres;

}

uint8_tDHT11_Read_Data(uint8_t*temp,uint8_t*humi)

{

uint8_tbuf[5],i;

DHT11_Rst();

if(DHT11_Check())

{

for(i=0;i<5;i++)

{

buf[i]=DHT11_Read_Byte();

}

if(buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]==buf[4])

{

*humi=buf[0];

*temp=buf[2];

return1;

}

}

return0;

}

intmain(void)

{

uint8_ttemp=0,humi=0;

SystemInit();//初始化系統(tǒng)

while(1)

{

if(DHT11_Read_Data(&temp,&humi))

{

printf("Temperature:%d℃Humidity:%d%%\n",temp,humi);

}

else

{

printf("Readfailed!\n");

}

delay_ms(1000);//延時1秒

}

return0;

}

在主函數(shù)中，我們首先調(diào)用了DHT11_Read_Data函數(shù)來讀取溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將其存儲在temp和humi變量中。如果讀取成功，我們就將其打印到終端上。如果讀取失敗，我們就打印一條錯誤信息。在讀取完成后，我們讓程序延時1秒鐘，然后繼續(xù)進行下一次讀取DHT11傳感器是一種數(shù)字式溫濕度傳感器，常常被應(yīng)用于氣象、環(huán)境監(jiān)測、室內(nèi)智能環(huán)境等領(lǐng)域。使用DHT11傳感器來測量環(huán)境溫濕度，可以實時獲取環(huán)境狀況，以便做出相應(yīng)的調(diào)整。

在使用DHT11傳感器時，需要先將其和單片機相連。一般來說，DHT11的VCC引腳連接單片機的正電源，GND引腳連接單片機的地，DATA引腳連接單片機的IO口。在連接完成后，我們就可以開始使用DHT11來讀取環(huán)境溫濕度了。

DHT11_Read_Data函數(shù)是用來讀取DHT11傳感器溫濕度數(shù)據(jù)的函數(shù)。該函數(shù)通過向DHT11傳送起始信號、接收傳感器響應(yīng)、讀取40位數(shù)據(jù)、校驗數(shù)據(jù)等步驟，最終得到溫度和濕度數(shù)據(jù)。在讀取溫濕度數(shù)據(jù)時，需要注意一些事項，比如要在讀取數(shù)據(jù)之前將數(shù)據(jù)線拉低，以便讓DHT11傳感器知道單片機要開始讀取數(shù)據(jù)；要在讀取每一位數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)線拉高，以便讓DHT11傳感器知道單片機已經(jīng)接收到該數(shù)據(jù)；要對數(shù)據(jù)進行校驗，確保數(shù)據(jù)正確性等。

在主函數(shù)中，我們通過調(diào)用DHT11_Read_Data函數(shù)來讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并將其打印到終端上。在每次讀取完成后，我們讓程序延時一秒鐘，以便進行下一次讀取。通過不斷地讀取溫濕度數(shù)據(jù)，我們可以實時地監(jiān)測環(huán)境狀況，并根據(jù)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。

總之，DHT11傳感器是一種功能強大的環(huán)境監(jiān)測傳感器，通過與單片機相連，可以實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的實時讀取。在使用DHT11時，需要注意一