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LoRa和ESP8266-Wifi通信模块的多收发器Lorafi板的设计和开发
Noraini Azmi 1,2 , Sukhairi Sudin 1 , ，Latifah Munirah Kamarudin1,2,*，Ammar Zakaria1，Retnam Visvanathan1，Goh Chew Cheik1,2，Syed Muhammad Mamduh Syed Zakaria1和 Khudhur Abdullah Alfarhan1，R Badlishah Ahmad3
1 马来西亚高级传感器技术卓越中心（CEASTech）。
2 马来西亚大学Perlis（UniMAP）计算机与通信工程学院 。
电子邮件：latifiahmunirah@unimap.edu.my
摘要：微机电系统（MEMS）、微控制器技术和物联网（IoT）理念的发展促进了无线模块（例如WiFi，蓝牙，Zigbee和LoRa）的开发，这些模块体积小且价格实惠。本文旨在提供有关LoRaFi板开发的详细信息。LoRaFi 1.0是高级传感器技术卓越中心（CEASTech）开发的多协议通信板，该委员会的开发目的是但监测室内空气质量，该板包含两种不同的无线通信模块，即远程技术（LoRa）和WiFi（使用ESP8266），该板可以配置为使用LoRa或WiFi或两者进行通信。该电路板已经过测试，无线通信成功运行。除了LoRa之外，WiFi还可以将数据转发到云端/服务器，在那里可以存储数据以进行进一步的数据分析，这有助于为用户提供智能手机或其他应用程序的实时信息。未来，研究人员将进行测试以调查通信链路质量，将开发更新版本的电路板尺寸和额外的无线通信模块，以提高电路板的灵活性并扩大电路板应用的范围。
1.介绍
人们对提高生活质量的需求不断增加，打开了生物（例如人类，牲畜）和非生物（如汽车，房屋和建筑物）之间相互联系与通信的应用程序的大门。通过将开发的设备或系统的传感和驱动功能集成到人工智能中，可以创建适用于各种应用领域的智能环境，如医疗保健环境[1]、结构监测、通信网络和军事应用。微机电系统（MEMS）的进步使机械和机电元件的小型化成为可能，这促进了微控制器和无线模块技术的发展，这些技术轻巧而实惠。目前，市场上有不同无线技术，包括但不限于WiFi、蓝牙、Zigbee、GSM、GPRS和RFID。这些无线技术在无线电频带、调制方案、传输功率、传输速率和功耗方面彼此不同。 在可用的无线模块中，与其他无线技术（如与蓝牙和Zigbee）相比，WiFi提供更高的数据速率和数据包大小。这些无线技术经常使用的流行频段是专门分配给工业、科学和医疗（ISM）应用的免费且未经许可的2.4GHz频段。但是，占用2.4GHz ISM频段的设备数量不断增加，导致网络流量和频谱拥塞不断增加。无线数据包在这种异构无线环境中的冲突和干扰降低了每种无线技术的服务质量（QoS）。
最近，根据Libelium Incorporated [2]的测试，LoRa模块的推出了长达22公里（视距）和长达2公里（非视距）的传输距离不同方案。与WiFi，Zigbee和蓝牙不同，LoRa模块可以在433MHz、868MHz或915MHz的其他ISM频段上工作。在马来西亚，允许的频段是433MHz和915MHz，已经进行了相关的研究以了解LoRa通信网络行为的特征，这是因为LoRa提供低功耗的长距离通信。除此之外，LoRa还运行在拥塞的2.4GHz频段以外的频率[3] 。在这个物联网时代，越来越多的对多协议无线通信板的关注促使先进传感器技术卓越中心（CEASTech）抓住机遇，通过LoRaFi的多协议通信板为社会做出贡献。如图1所示的LoRaFi Board 1.0是由CEASTech开发，该板由两种不同的无线技术组成，即WiFi（使用ESP8266模块）和Longrange技术（LoRa），运行在433MHz、868MHz和915MHz较低频段的LoRa捕获了开发者的兴趣，因为它可以用作拥塞2.4GHz频段的替代品。 除了能够避开拥塞的2.4GHz频谱外，LoRa还能够传输大约22公里长距离的数据[3] 。另一方面，板上WiFi可以将收集的数据传输到云端，存储在云中的数据可用于进一步的数据分析和预测。另外，这些数据还可以用作实时监控，并可以在智能手机上显示。
（a）顶视图 （b）底部视图
图1 LoRaFi1.0的顶视图和底视图 LoRa模块位于顶部，WiFi位于底部
本文旨在提供有关LoRaFi板的设计和开发的详细信息，从设计概念开始直到最终产品的制造。本文的其余部分安排如下：第2节提供了LoRaFi开发阶段，第3和第4节详细介绍了LoRaFi电路板的体系结构和规范，第5节提供了从简单测试获得的结果，以调查无线通信的操作，第6节介绍数据库和移动应用程序的开发，最后，未来的工作包含在第7节。
2.LoRaFi设计和开发
流程图中提供了LoRaFi板的设计和开发总结（参见图2）。首先，把板上所需的组件的框图大致绘制，接下来，使用电路绘图软件（OrCAD PSpice）完成电路设计。成功编译后，电路建立在原型板（面包板）上。每个单元（电源，传感器，无线模块和通信）作为一块完整的电路板都进行了电路板测试。
开始
使用OrCAD软件的电路设计
成功的？
是
否
在面包板上的电路组装
电路设计的模拟
- 检查组件的功能以及它们之间的连接。
- 测试电源
在面包板上建立2套测试电路（一个作为发送器，另一个作为接收器）
电路测试？
否
程序和无线连接测试？
否
是
是
使用OrCAD PCB Designer设计和开发印刷电路板（PCB）并制作原型板
否
成功的？
是
- 检查组件之间的跟踪/连接
- 电源测试
- 无线连接测试
使用Arduino进行发送器和接收器的程序开发
图2 LoRaFi板的设计和开发流程图
结束
LoRaFi已准备好生产
当电路板成功工作后，下一步就是将电路从绘图转换到印刷电路板（PCB）。有许多可用于PCB绘图的软件，例如OrCAD、Altium Designe等。在这项研究中，选择OrCAD设计是因为它是蚀刻部门使用的软件。除此之外，还有各种功能需要注意，如电路板尺寸/尺寸，PCB层数量导线尺寸，通孔或表面贴装元件等。 因此，使用相同的软件将有助于缩短编辑和同步时间。LoRaFi电路板设计为两层PCB，尺寸为5times;7cm，该电路板包含通孔和表面贴装元件的组合，因此，组件和导线需要仔细放置，以避免彼此重叠。
3 LoRaFi电路板架构
LoRaFi板开发板可用于不限于监控室内空气质量的其他应用，图3所示的LoRaFi体系结构可以分为多个互相连接且相互关联的部分，LoRaFi架构包括中央处理器（CPU）、无线通信模块、与计算机或其他微控制器的通信、电源以及传感器和执行器。LoRaFi板上的组件如图4所示。
传感器和执行器
湿度粒子传感器VOC（TGS）
中央处理器
微控制器ATmega328
通信模块
SPI
串行通信
能量源
可充电电池
DC插孔（6-12V）或Micro USB
无线模块
LoRa868 / 915MHz WiFi（ESP8266）
图3 LoRaFi电路板设计概念或体系结构
Arduino ProMini
5V输入（USB）
外部端口
SW1
SW2
DHT
天线
WiFi / ESP
DC
插口
RF-LORA
电池插座
(b)
图4 LoRaFi板，其中（a）顶视图和（b）底视图
3.1 能量源
LoRaFi板可通过外部电源或可充电3.7V LiPo电池供电，外部电源可以由迷你USB（插入迷你USB插头）或交流转直流适配器（插入直流插孔）提供。但是，一次只能连接一个外部电源（mini USB或DC插孔），同时，可充电电池可与DC插孔或mini USB一起使用， 提供一个电源开关（SW2），用于在电路板的外部电源和电池电源之间进行选择。在连接外部电源和电池的情况下，电池将通过内置电池充电器进行充电。LoRa和WiFi的工作电压为3.3V，而Arduino ProMini（又名ProMini）电路的工作电压范围为3.3V至5V，因此，需要电平转换器才能使ProMini与LoRa和WiFi之间进行通信。小节3.2.1提供了有关LoRaFi板上电平转换器的更多信息。
3.2 微控制器
微控制器特别适用于智能人工系统，市场上有各种微控制器，其资源、处理能力、速度和存储量各不相同。对于LoRaFi板，使用了一种名为ProMini[4]的Arduino微控制器。ProMini上的微控制器是基于ATmega328的微控制器，ATmega328具有32kB闪存用于存储代码（其中0.5kB用于引导加载程序），除此之外，微控制器还具有2kB的SRAM和1kB的EEPROM，可以通过EEPROM库进行读写。
3.2.1 电平移位器TTL
当ProMini想通过串行外设接口（SPI）通信链路将数据发送到LoRa时，需要一个电平转换器将电压从5V降至3.3V，同样，ESP模块在需要通过串行通信与ProMini通信时也需要TTL，但是，当LoRa或ESP想要将数据发送到ProMini时，不需要TTL。
3.3 传感器和执行器
LoRaFi板具有指定用于不同传感器的端口，即湿度和温度传感器，粒子传感器和挥发性有机化合物（VOC)传感器。下面的小节介绍了每个传感器。除此之外，LoRaFi板还配备了执行器端口，表1提供了DHT11、粒子传感器和VOC传感器的引脚配置。图4中先前描述了传感器专用端口。
表1 LoRaFi板上的引脚配置。
|
传感器 |
Pin 1 |
Pin 2 |
Pin 3 |
别针4 |
|
湿度和温度 |
3.3V |
D2 |
GND |
- |
|
粒子传感器 |
GND |
D4 |
D5 |
5V |
|
挥发性有机化合物 |
GND |
A3 |
3.3V |
5V |
3.3.1 湿度和温度传感器
LoRaFi板设计有端口，可用于插入式传感器，用于测量湿度和温度的传感器是DHT11传感器，DHT11传感器显示在图5（a）中，其他类似DHT11规格的传感器也可以使用。
3.3.2 粒子传感器
使用LoRaFi板测试的粒子传感器是由SHINYEI Corporation开发的粒子传感器（PPD42NS模型[5]），粒子传感器的端口在图4中标记为PS。图5（b）中所示的粒子传感器产生数字（Lo脉冲）输出到颗粒物质（PM），低脉冲占用（
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