论文总字数：27056字

摘 要

本文主要介绍了自主设计的物联网数据采集与控制系统。它使用多个STM32系列MCU做主控芯片，搭配Semtech公司最新研制的SX1276LoaRa射频芯片以及我们常用的WiFi射频模块，再结合当下流行的Android手机App，最终形成一个长距离，低功耗的物联网数据采集与控制系统。系统的重点在于采用了Semtech公司最新的LoRa射频芯片，通过编程，芯片的整个射频覆盖范围能够达到几公里的量级，这给当下物联网提供了更大的发展空间。为了方便实时的远距离数据接收显示，系统又搭载了通用的ESP8266WiFi模块，这样就可以方便的用进行数据接收与显示。

整个采集系统综合性较高。首先是STM32主控的数据采集端，它要负责采集各种外围传感器数据，同时还要将数据用SX1276射频芯片发送出去。因为1276的射频距离非常远，我们可以在远端固定地放置另一个单片机系统，它的作用类似于网关，负责将LoRa网络的接收数据用WiFi模块发送出去，就是实现了LoRa网络到无线IP网络的转换。最终可以用Android手机进行数据的接收与显示。基于此，本次设计实现了设计一个长距离低功耗的无线数据采集与控制系统。

关键词： 物联网 LoRa 射频 STM32 数据采集 Android 长距离 低功耗

A ENVIRONMENT-MONITOR AND WIRELESS CONTROL SYSTEM BASED ON STM32

Abstract

The thesis mainly describes a self-designed IOT Data-Collection and Control system。It is comprehensive design consists of several STM32 MCU module，along with the SX1276 LoRa RF chip developed by Semtech and common WiFi module.As long as we have an Android electrical device installed with the specially designed App， we can monitor the situation of the environment from a very long distance.

The key of the system lies in the newly designed LoRa RF chip.The wireless signal of the chip can reach a distance of several kilometers，so it greatly facilitates the Development of the IOT.

The System can be split into three parts. The first part is used to collect the parameters of the environment by means of several sensors，it also transmits the data collected using the 1276 module.The second part is made up of a 1276 module and a WiFi module，which is responsible for converting the Lora data packet to WiFi IP packet，so we can use our android device to receive the environment data to monitor the change of the environment from a very long distance.As mentioned above， the Android device and App are the third parts of the system.

In a word， the aim of the design is to construct a long-range ，low-power wireless data-collection and control system which can be put into practice in our daily life.

Key words： IOT LoRa RF STM32 Android low-power

目录

第1章 前言 3

1.1 设计背景概述 3

1.2 主要设计内容 3

1.3 最终设计成果 4

第2章 STM32相关硬件简述 5

2.1 综合介绍 5

2.2 STM32单片机概述 5

2.3 Cortex-M3内核简介： 6

2.4 通用GPIO口的介绍： 7

2.5 STM32 USART的介绍： 7

2.6 STM32 ADC简介： 9

2.7 STM32 DMA介绍： 10

第3章 LoRa相关技术介绍 12

3.1 SX1276芯片简介： 12

3.2 LoRa 网络协议相关介绍 13

3.2.1 简介： 13

3.2.2 物理层数据格式 14

3.2.2.1 上行消息 14

3.2.2.1 下行消息 14

3.2.2.3 接收窗口 14

3.2.2.4 第一个接收窗口信道，速率和开始时间 14

3.2.2.5 第一个接收窗口信道，速率和开始时间 14

3.2.2.6 接收窗口持续时间 15

3.2.2.7 接收窗口中接收机的活动状态 15

3.2.2.8 网络发送一个消息给端设备 15

3.2.2.9 接受窗口的注意点 15

3.2.3 MAC数据格式 15

3.2.3.1 MAC层(PHYPayload) 15

3.2.3.2 MAC 报头（MHDR域） 16

3.2.3.3 数据消息的MAC负载（MACPayload） 16

3.2.4 MAC命令 18

3.2.4.1 链路检查命令（LinkCheckReq，LinkCheckAns） 19

3.2.4.2 链路自适应数据率命令（LinkADRReq，LinkADRAns） 19

3.2.4.3 端设备传输占空比（DutyCycleReq，DutyCycleAns） 20

3.2.4.4 第二个接收窗口的参数（RX2SetupReq，RX2SetupAns） 20

3.2.4.5 端设备状态（DevStatusReq，DevStatusAns） 21

3.2.4.6 信道的创建和修改（NewChannelReq，NewChannelAns） 21

3.2.4.7 设置TX和RX的延迟（RXTimingSetupReq，RxTimingSetupAns） 22

3.2.5 端设备的激活 22

3.2.5.1 激活后存储在端设备中的数据 22

3.2.5.2 Over-the-Air Activation(OTAA) 23

3.2.5.3 个性化激活 23

第4章 具体设计过程 24

4.1 STM32固件库的介绍： 24

4.2 数据采集模块： 25

4.2.1 DHT11温湿度传感器 25

4.2.2 MQ-7烟雾传感器： 27

4.2.3 火焰传感器： 28

4.2.4 整体的运行逻辑流程： 28

4.2.5 数据采集发射端LoRa射频模块 29

4.3 网关模块的设计 31

4.3.1 ESP8266模块： 31

4.3.2 运行逻辑分析：（下文提到的MCU都是只1276模块内集成的MCU） 33

4.4 Android 接收端软件设计： 34

4.4.1 Socket编程简介： 34

4.4.2 Handler机制简介： 34

4.5 远距离监控实测： 36

第5章 结论 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 前言

1.1 设计背景概述

物联网是当下的一个比较热门的话题，它是基于互联网的概念被提出来的。一直发展着的互联网把人们的距离拉近了，让大家仿佛生活在地球村里，人们可以实时地联系到任何自己想要联系的人。在此基础上，走在技术最前沿的科学家和工程师们又提出了物联网的概念。顾名思义，物联网就是要实现物的互联，它的最终目标是实现万物互联。通过给我们常用的东西嵌入智能处理芯片，再在芯片里存储上智能化的编程算法，最终能够实现让物体自己学会”思考判断”，然后完成自己的”任务”。进一步地，给处理芯片搭载上网络模块，这样就能够让物体实现远距离互联。与当前的互联网或者说IP网络相结合，完全可以实现物体无限距离互联。物体在联网的基础上，结合智能化的编程算法，最终就能实现一个区域内的相关物体自主协调地工作，不需要人工的干预。物联网的发展能够极大的便利人们的生活，让生活更智能化。

前面提到物联网的发展离不开智能处理器，这归功于集成电路的飞速发展。底层半导体工艺的发展使集成电路芯片越做越小，速度越来越快。渐渐地，人们将芯片嵌入到生活中的各种物品当中。在嵌入式领域微处理器芯片中，值得一提的就是ARM内核的处理芯片。ARM公司为应对嵌入式产品开发的需要，特别研发了对应的芯片架构。就当前而言，就是Cortex-M系列的微处理器内核。32位的总线结构，先进的指令流水，内部PLL倍频，超低的功耗等等，都体现出绝对的性能优势，它占领了大部分微控制领域的市场。本次设计用到的STM32系列的微处理器就是Cortex-m核，ST公司基于此内核又添加了很多的片内外设，让设计者们可以从容应对各种各样的硬件设计。

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