0 引 言

LoRa是目前应用最为广泛的低功耗广域网网络(LPWAN)之一, 在全球免费频段运行, LoRa较NB-IoT，更加的开放[1]。LoRa具有良好的抗干扰能力，节点采用小型电池供电，具有良好的隐蔽性。低功耗设计可以使用一节电池工作数年，易维护、成本低。基于LoRa通信模块方案通常由专用射频基带芯片和低功耗MCU组成。由于分布节点数量多、遍布区域广，环境复杂，有些地方甚至人员难以到达，无线传感器节点通过频繁更新电池的方式来增补能源比较困难。因此对传感器的低功耗设计则显得尤为重要[2]。

1 温度传感器总体方案设计

针对舰船环境下的远程无线监测系统的具体需求：实时精确的获取舰船舱室内管道的温度信息，并实现无线监测。温度传感器的功能模块如图1所示。

测温的无线传感器硬件由温度传感头、模数转换模块、处理器模块、LoRa模块、天线和电源构成。温度传感头负责采集舰船管道中的温度，并将数据传输到模数转换模块，再经过串行外设接口(SPI)传导到处理器模块。处理器模块负责将这些数据按照无线通信协议的要求编码，通过基带芯片sx1276传送到天线模块，天线模块有二组频段，当出现干扰时，终端会切换到另一组天线频段。

图1 温度传感器的功能模块Fig. 1 Functional module of temperature sensor

2 关键电路设计

2.1 温度传感头和模数转换模块

电阻温度探测器(RTD)是工业应用中温度检测的常用传感器，最常用的RTD是Pt100铂电阻，与其它的温度传感器相比，RTD具备高精度和优良的稳定性[3]。本电路设计中的温度传感头采用四线制的Pt100铂电阻，在Pt100热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，四线制可以有效地减小引线误差。在模数转换模块中，用4个端口的端子排来表示四线制Pt100，模数转换模块电路如图2所示。

模数转换模块将温度传感头采集的模拟量转换成数字量。采用的是AD7124-4，24位的采样精度。经SPI口连接至处理器模块。AD7124是一款低功耗、低噪声、完整模拟的前端，非常适合高精度测量应用。图2模数转换模块中的AD部分是通过模拟电源(AVDD)端口供电，为使得数据输出速率最大，采用AD7124模块的全功率模式。

图2 模数转换模块电路Fig. 2 Circuit diagram of analog-to-digital conversion module

2.2 电源模块

由于模块驱动电源采用锂电池供电，因此需要低压差线性稳压器(LDO)芯片稳压，在本方案中，电源的稳压芯片采用TI公司的TPS7A05芯片，TPS7A05是应用最为广泛的稳压芯片之一。TPS7A05具备非常低的Iq(1uA),消耗的静态电流极低，可以在电池供电应用中延伸电池寿命。TPS7A05还是一款超小型静态电流低压降压稳压器，可提供200mA的电流以及出色的瞬态性能。该LDO(TPS7A05)的电压输出范围为0.8 V～3.3 V，典型的精度为1%,可以满足其它各个模块的供电需求。

系统电源模块是通过3.6V电压源供电，这里采用的是两节锂亚电池来构成3.6V电压。在选用超低功耗的MCU的基础上，为了进一步实现有效节能，在AD模块上加休眠功能，从3.6V电压源处引出两个低压差线性稳压器，使得3.6 V电压降为所需的3.3 V电源，其中一个给处理器SX1276供电，考虑到处理器芯片本身功耗少，所以使其处于持续供电状态。AD转换模块相对而言功耗大，所以该电源模块由处理器引出一个端子来控制其通断。MCU控制的是TPS7A05的EN端口，当MCU的PA8端口输出一个高电平，EN端口则输入一个高电平，则开启稳压模块给AD供电，输出低电平，就关闭稳压模块，使得AD模块不工作。温度传感器的电源模块电路，如图3所示。

图3 温度传感器的电源模块电路Fig. 3 Circuit diagram of power module of temperature sensor

2.3 处理器与LoRa模块

处理器模块中的MCU采用的是高性价比，超低功耗的stm32L052芯片,256k flash，实现数据采集与LoRa通信功能。LoRa模块采用Semtech公司升级版sx1276射频芯片的无线模块，采用扩频技术，抗干扰和灵敏度都大大优化，带来更远的通信距离[4]，同时具备无线唤醒功能，电池使用更长久，LoRa模块引出线至天线模块。低功耗STM32与SX1276通过SPI通信，两芯片组成的模块的目标应用是传感网和其他物联网设备，特别是有电池供电需求以及低功耗和远距离的场合[5]。处理器与LoRa集成模块电路如图4所示。

图4 处理器与LoRa集成模块电路Fig. 4 Circuit diagram of processor and LoRa integration module

3 试验

试验需要的试验器材有Micro USB供电线，温度传感头和制好的电路板，电脑一台。软件部分代码采用C语言，MDK完美兼容Cortex-M和ARM7,它也是C语言的编译工具。试验在Keil MDK平台上进行，由于试验条件有限，无法提供舰船环境测试。试验中搭载的传感器节点实物，如图5所示。调试并测出现场实时温度，启动友善串口调试助手，显示环境中实时的温度，实验得到的实时温度如图6所示。

文章来源：《舰船科学技术》 网址: http://www.jckxjszz.cn/qikandaodu/2021/0708/1959.html