基於環天LM553 LoRa模組與Arduino Pro Micro開發之紫外線殺菌燈監測方案

方案應用場景描述

本方案為介紹如何使用紫外線感應器來監控消毒中的紫外線燈，並將其資料送LoRaWAN網路。這種方案用在操作人員不可進入的利用紫外線燈殺菌的空間，或用來記錄紫外線燈消毒的周期與消毒時間。另外這種方案也可以監測使用高壓水銀燈一類的室內空間，和太陽光的有害紫外線。

方案優勢

1. 小型化模塊改善整體電路及產品大小

本方案主要使用Globalsat環天世通科技使用Semtech SX1276 LoRa晶片技術開發的LM533模組，該模組結合了Semtech SX1276 LoRa 晶片、ST Microelectronics 的STM32 MCU，並整合了精心設計的高頻阻抗匹配迴路。

2. 簡化軟體開發人力需求

環天LM533 LoRa模組為使用者提供快速開發，所以在固件上把LoRa的硬體底層控制轉化成為使用AT Command來讓開發者可以直讀式的方式來呼叫。此舉可以省去學習及設定SX1276寄存器設置，因此大幅的減少開發時間。

3. 多種LoRa模式提供彈性需求

在LM533 LoRa模組的固件上提供標準LoRaWAN及環天專有的MOST-Link 兩種通訊協議供使用者使用，所以使用者可以在相同的模塊有著彈性的採購及應用選擇。

4. LoRa傳輸技術改善通訊能力

由於紫外線對人體有著一定的傷害，所以大部分要監控的地方大多為密閉空間。而密閉空間對於無線訊號來說是有可能造成通訊的阻礙，以現在的有線技術如FSK、Zigbee、Bluetooth或是Wifi等傳輸技術的接收靈敏度都比較低，所以大都使用在近距離或是通訊環境好的地方。那對於空間及干擾嚴重的地方來說，如果使用LoRa技術的話是可以為我們的應用留出更大的餘量。下面為我對現有技術做的整理比較表，在此表中我們可以看到其適用的領域。

方案特色說明

本方案的特色是向有需要將產品小型化，或是在需要在通訊困難如醫院眾多的病房、中央廚房等需要使用紫外線燈消毒的地方的開發人員和使用者介紹及展示如何使用Globalsat LM533模組來解決這些問題。並如何將此演示方案連上LoRaWAN網關後送到雲端提供後續的UI應用界面開發。

工作原理描述說明

本方案是利用在對紫外線光譜敏感的光電二極體來感應紫外光，並以使用ATMAL328處理器的Arduino Pro Micro來做數據處理並將其數據以AT-Command格式經環天的LoRa模塊送到LoRaWAN網關及雲端的LoRaWAN Network Server.

方案設計及結構解說

LM533模塊硬體介紹及腳位接法

本方案中使用的環天模塊共有36隻腳，我們所使用的只有其中電源和UART共四隻腳如下圖

微處理器選用及腳位接法

此處我們選用Arduino Pro Micro 版本開發，原因是該板子內建了USB介面可以直接連至PC來進行開發。另外該板子尺寸小、價格便宜、容易購買、且Arduino開發環境簡單。在連線部分我們使用到電源、UART與LM533模組溝通以及一個Analog IO來讀取紫外線輸出的電位。

感測器選用及運算取樣

本感測器是使用紫外線光二極體來檢測 240-370nm 光譜（包涵UVB 與大部分UVA）。由於光電二極體的電氣信號只有nA，所以需要使用到運算放大器來把信號放大並轉成可以微處理器可以處理的電壓。此感測器使用非常簡單，我們只要提供此感測器2.7-5.5V的電壓，然後從SIG 引腳讀取模擬信號。

程序結構說明

本方案所使用的程式架構有兩部份，第一部份作為檢測紫外線模擬輸出的電壓，然後計算出與電壓相對應的光線強度。第二部份就只是將該數據使用UART 接口將處理後的數據用AT-Command經LM533模塊送出至網關。

在LoRaWAN網絡服務器上登錄網關

一. 申請賬號 ~ 至h ttps://account.thethingsnetwork.org/register 註冊賬號

二. 註冊網關 ~ 到 https://nam1.cloud.thethings.network/console/gateways/add按下圖所示註冊網關

三. 確認網關有數據傳到服務器 ~ 如果確實有啟動網關就可以在Dash Board上看到已經連線上並顯示相關信息

功能測試及成果展示

測試架構 ~ 此處我們使用的是Semtech SX1302 V3版本的網關參考設計來作為與節點間的數據收集，另外使用The Things Stack 網絡服務器來驗證節點的數據是否正確無誤經LoRaWAN 網關轉到至The Things Stack 網絡服務器上。
成果展示 ~ 由下圖可以看到啟動電路後紫外線感測器開始工作並將資料送至網關，然後轉傳到Semtech的網絡服務器並顯示所感應到的測距數據。故可看見整個系統工作正常並按照設定的時間回傳數據。
後續應用 ~ 使用者在確定收到數據後，可以在The Things Stack 的網絡服務器內置的應用或API獲得的座標數據另行開發應用。