科学技术创新2021.13
作者简介：姜其敏（1999-），女，籍贯：江苏东台，南京信息工程大学自动化学院本科学生。
基于LoRa
TM
姜其敏
（南京信息工程大学自动化学院，
江苏南京210044）1概述
2019年无锡市跨桥由于汽车超载导致桥面侧翻引发社会关注。技术日新月异的变革，在高架桥体安装实时检测系统以成为可能。在此之前桥体监控是通过敏感元件如电阻应变片，
振弦式应变计等将被测量转化为电学量，
再通过专业的仪器测量记录。传统方式有以下不足：①敏感元件可以检测的被测量有限，②采用专门的仪器记录并不能做到实时检测，示警及时。针对这种不足，提出基于LoRaTM 多检测的高架桥体质量监测系统。
2高架桥体监测系统总体设计
高架桥体监测系统包含2部分：网关和节点，
其中节点包含多种信号检测、AD 、ARM 嵌入式、LoRaTM 传输、其他外设； 网关包含ARM 、LoRaTM 传输、SD 卡和4G 模块，如图1。振动检测、温度检测和压力传感器将高架桥体的关键节点自然量转化为电信号，通过预处理电路再经过AD ，自然量被转换为ARM 数字量[1]，再通过LoRaTM 模块将数据传输至网关，网关将附近节点采集到的数据汇总通过4G 传输至远程服务器；同时也通过SDIO 接口将数据存储在SD 卡中[2-3]。按键模块设置系统工作模块；LED 灯提示系统当前工作状态。 图1高架桥体监测系统总体设计框图
3高架桥体监测系统硬件设计
高架桥体监测系统节点处理器考虑到需要低功耗，
所以采用32位Cortex-M0+STM32L051，主频高达32MHz ，64KB Flash 、2KB EEPROM 、8KB RAM ，有多个高速IO 口。STML051的采集数据精度可达12bit ，A/D 速度可达1.14MSPS 。网关部分ARM 采用Cortex-M4STM32F407，并通过4G 模块将数据传送出[4]。4G 模块采用了MTK 公司MT7628，该模块支持802.11多
种协议。STM32F407SDIO 接口持对SD 卡读写校验数据，
工作在8位数据模式，提高读写速率。LoRa TM 无线模块采用安信可的
RA06模块[5]，串口控制降低开发难度，
提供开发效率。高架桥体监测系统硬件设计框图如图2。
图2高架桥体监测系统硬件设计框图
3.1传感器信号采集硬件设计
传感器信号采用多级放大。1级运放，2级为滤波。
电流转电压采集，0阻抗所以检测电路对电流型传感器影响小。
将转换信号的高频噪声去除，然后传输到A/D 口，原理如图3。
图3传感器信号采集硬件设计
3.2LoRa 无线数据传输硬件设计
节点向网关无线传输采用LoRa 调制技术，硬件采用安信
摘要：针对重型汽车在高架桥上驾驶时引起桥体振动和本身超载因素引起桥体断裂塌陷等安全隐患，
为了减少这种安全隐患，结合LoRa TM 组网技术提出一种高架桥体质量安全系统。首先结合环境下多信号检测器将桥体关键节点的物理量转换为微
弱电信号，微弱信号放大后滤波在AD 转换为数字信号，低功耗嵌入式处理器通过LoRa TM 将数据传输至网关，
然后利用4G 网络传至服务器，同时也将数据存储在SD 卡备份。当分析节点的数据发现异常时，发送报警信号。实验结果表明：
该安全检测系统便于操作、实施可行，面对异常情况发送示警信号成功率可达99.99%。
关键词：LoRa TM
无线传输；多融合传感器；
低延时；高速采集中图分类号：TP212.9文献标识码：A 文章编号：2096-4390(2021)
13-0072-0272--
2021.13科学技术创新可公司RA06模块，采用串口直接与STML051低功耗处理器相连[6]。
3.34G 无线数据传输硬件设计
以太网通信是利用STMF407外接LAN8720物理层
（PHY ）完成的，将RMII 与STMF407内核连接，TX_EN 端口使能引脚，
TXD 、RXD 差分输出信号，当接收数据有效，CRS_DV 信号变化，REF_CLK 提供时需参考，LAN8720芯片没有变压器，所有采用变压器通过TXD 、RXD 连接4G 模块，硬件设计图如图4。
图44G 无线数据传输硬件设计3.4SD 卡数据存储硬件设计
SD 存储卡依托STMF407自带的SDIO 控制器，时序信号由SDIO_CLK 提供，SDIO_CMD 信号用于SD 判断写入的是数据还是命令，SDIO_D[3：0]数据线进行数据交互。
4高架桥体监测系统软件设计
系统初始化，高架桥体传感器采集物料信号并转换，
并通过LoRa 传至目标网关，网关通过4G 无线传出，服务器接收到
数据写入数据库，前端软件判断，发现异常发送报警信号，另一方面用SD 卡设备存储数据以备分析，软件设置总流程图如图5。
图5软件设计总流程图
4.1AD 数据采集软件设计
初始化ADC 时钟，设置ADC 复用寄存器、ADC CCR 寄存器、ADC 采集频率寄存器，等ADC 相关寄存器。初始化ADC ，12位的数据转换，右对齐数据。接着开启ADC 转换，读取一次ADC 的数值，软件采用多次取均值进行数据滤波。
4.24G 无线数据传输软件设计
系统初始化，设置I/O 复用时钟，同时初始化LAN8720，
LWIP ，启用DHCP 功能，
由4G 模块自动分配IP 地址给设备，然后创建目标TCP 连接，由于TCP 长时间无数据交互，TCP 连接
就会断开连接，而且采用定期传输数据的方式作为心跳包，
且发送频率可设。流程图如图6。
4.3SD 卡数据存储软件设计STMF407自带SDIO ，第一步设置I/O 复用引脚功能，上电后等待75个CLK 延时，循环等待结束后复位，第二步发送
CMD8激活SD ，第三步发送ACMD41确认电压，初始化结束后，然后就可以对SD 设备进行操作。
4.4LoRa 无线数据传输软件设计
上电后STM32L051首先初始化串口，
然后设置RA06模块的工作模式，空中频率，本地地址和网关地址等参数，
发送传输数据指令后发送数据。
5结论
本文提出的Lora 无线传输的安全监测系统是为了有效避
免传统检测无法实时的弊端，
新型的Lora 无线传输的安全监测系统减少了传统设施因为布线困难的局限性，
同时改善了传输示警及时准确。在高架桥体关键节点处放置多融合传感器安全检测系统，避免了人工检测维护的局限性，为大型建筑的质量健康检测提供了一个新的方向。
参考文献
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景光铮，等.语音录放系统的设计与实现[J].数字技术与应用，2019（7）：136-138.
[2]曹雅楠，王康谊，耿生，等.STM32与eMMC 通信的存储系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018（12）：40-47.
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李冰，罗振，等.基于STM32的UART-WiFi 模块的设计与实现[J].制造业自动化，2015（7）：127-130.
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2019（11）：96-99.[6]万青.基于stm32f051的原料兑料流量监控系统设计[J].电脑
知识与技术，2013（9）：
2018-2130.
开始
采集传感器数据SD 卡寄存器存储4G 无线传输远程服务器数据处理示警AD 转换
网关L oRa 接收
节点LoRa 传输结束
设置I/O 时钟
LWIP 初始化
初始化tcp_client
启用DHCP
动态IP 地址LAN8720初始化
静态IP 地址
创建TCP 连接
连接服务器
发送
tcp_serv er_sentbuf
中的数据
是否有数据发送
图64G 无线数据传输流程图
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