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ELECTRONICS WORLD・技术交流
tmdi-30
北方工业大学电信学院 韩 竹 周传宝
层板托
作为一个能源大国，我国在能源提供这一块有很大一部分来自煤炭。随着煤矿开采深度的增加，巷道极易变形被破坏，煤矿的安全监测就显得非常重要。传统的方式是使用有线电缆的方式进行数据传输，但是矿井下环境恶劣，极易造成电缆断裂，导致数据传输中断。考虑到无线传输的优势，本设计使用基于LORA的无线传输，它具有成本低、功耗低，易于组网的优点。通过激光测距检测巷道变形情况，并将所测得的数据通过LORA实时的传输给数据采集中心。 混凝土胶粘剂1.LORA简介
2013年semtech向业界发布了一款基于1GHZ以下的超远距离低功耗无线数据传输技术，其最大接收灵敏度可以达到-148dbm，此外+20dbm的发射功率使其在链路预算达到了行业领先水平。与传统调制技术相比，LORA调制技术在选择和抗阻塞方面也具有明显优势。本设计使用的LORA芯片是SX1278，他是一种半双工传输的低中频收发器。在其接收射频信号时，信号首先经过低噪声放大器对信号进行放大，接着，信号被转换为差分形式，然后信号被下变频到中频输出正交I&Q信号。接着由模数转换器对数据进行模数转化，后续的信号处理和解调均是以数字信号进行的。频率合成器为接收和发射机生成本地震荡频率，此外，SX1278还对锁相环（PLL）进行了优化，目的是为了实现用户透明的低锁定时间和快速的自动校准操作。在传输的过程中，以数字的形式在PLL带宽中进行频率调制。PLL还可以选择性的对比特流进行预滤波，以提高频谱纯度。
2.系统的硬件电路设计
2.1 系统框图
本设计使用的是意法半导体的高性能32位微控制器STM32F-103CBT6作为核心控制器。系统主要由两部分组成数据采集和数据收集。系统框图如图1
所示。
图1 LORA激光测距系统框图
水力分级机
数据采集端由LORA、步进电机和激光模块三部分构成。CPU 通过控制步进电机转动对激光模块进行不同角度的调整，就可以得到巷道形变的数据，通过LORA发送给数据收集端。数据收集端是由四部分组成LORA、按键、存储和显示。收集端可以通过按键控
制采集端电机旋转的角度，可以收集任意点的数据。
2.2 模块的电路设计
2.2.1 LORA模块
LORA芯片SX1278和STM32是通过SPI总线进行通信的。SX1278有6个通用IO口，在LORA模式下他们的映射关系一次为RxDone、RxTimeout、FhssChangeChannel、CadDetected、Mo-deReady。其最大输出功率可以达到20dbm，当输出17dbm以下功率时，可以选用RFO_LF引脚作为信号输出引脚，当需要大功率输出
时即20dbm时，需要将输出引脚接在PA_BOOST引脚上，本设计
使用的20dbm的输出功率。信号输出需要阻抗匹配和滤波。由于LORA是半双工通信，需要在发射和接收之间进行切换，所以选用PE4259作为开关电路来控制LORA发射和接收。
2.2.2 电机驱动模块
电机选用的是28BYJ-48步进电机，他的步距值不受电压和电
流大小的影响而且误差不会长期积累。步进电机每一个脉冲都会转
动一定的角度，与理论步距之间总有一点误差，但是当转完一圈时
累积的误差为零。由于STM32不能直接驱动步进电机，所以需要步
进电机驱动模块，本设计使用的是A4988步进电机控制驱动器。他
是一款完全微步驱动器，只需输入一个脉冲，就可以驱动步进电机
微步旋转。具有1/4、1/8、1/16步进模式操作。具有自动电流衰减
模式检测选择、低功耗同步整流、交叉电流保护、过热关机、接地
短路保护等。
2.2.3 存储模块
存储模块使用的是铁电存储器FM24CL64和STM32通过IIC接
口进行通信。与EEPROM相比，它的读写次数可达10亿次，而EE-PROM只有100万次。速度方面，铁电存储器读写不需要延时，总线速度，而EEPROM需要10ms的延时。功耗方面，铁电存储器的功耗也很低。
2.2.4 其他模块
激光模块和STM32通过串口进行数据通信。其测距范围为15cm到40米，误差为0.1mm。显示为OLED显示也是通过IIC接口和STM32进行数据通信。
参考：张越杰.基于物联网智慧农业信息平台建设精准监测与
杯芳烃>高频天线智能控制系统的研究.曲阜师范大学,2017；贺松杰.LORA在指挥
农业传输层中的应用研究.河南农业大学,2017；王瑞.基于LORA
通信的无线水表抄表系统的设计.华东理工大学,2016；符修文.基
于物联网的消防监控系统关键技术研究.武汉理工大学,2013；刘
艺.基于无线传感器网络的远程智能监控系统的研究.沈阳理工大
学,2015；郑浩.LORA技术在低功耗广域网络中的实现和应用.信息
通信技术,2017(1):19-26；侯义斌，王进.LoRaWAN技术研究.读书文
摘,2017(13):38；Semtech.Semtech Concentrator for loT.www. semtech.2016。
项目名称：北京市大学生科学与创业行动计划（2018年度）。
