張海濤，韓耀振（山東交通學(xué)院 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357）

摘 要 ：針對(duì)目前可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的通信傳輸距離短和功耗高的問(wèn)題，提出了一種基于 LoRa 技術(shù)的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及詳細(xì)的系統(tǒng)硬件組成和原型，軟件系統(tǒng)由 Keil 軟件編譯實(shí)現(xiàn)?；?FM33LG048 設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度，通過(guò) SX1278 無(wú)線(xiàn)射頻模塊與 LoRa 控制器通信 ；以高性能，低功耗 STM32F103 為主控制單元設(shè)計(jì)的 LoRa 控制器接收、處理、存儲(chǔ)無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)，并提供操作界面，其中，控制器中的 LoRa 網(wǎng)關(guān)作為中繼通過(guò) GPRS 將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)。系統(tǒng)可通過(guò) LoRa 控制器在本地查看、操作無(wú)線(xiàn)傳感器，通過(guò)手機(jī)或電腦遠(yuǎn)程增、刪、改、查無(wú)線(xiàn)傳感器相關(guān)信息。

中圖分類(lèi)號(hào) ：TP23 ；TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A文章編號(hào) ：2095-1302（2022）10-0012-04

0 引 言

在石油化工行業(yè)中不可避免的存在各種易燃易爆、有毒有害的氣體，這些氣體一旦長(zhǎng)時(shí)間泄露或積聚在周?chē)h(huán)境中，將可能引起火災(zāi)、爆炸或人身中毒等重大事故。因此，對(duì)可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)是安全生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文獻(xiàn) ［1-3］ 通過(guò) ZigBee 技術(shù)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。文獻(xiàn) ［4-6］以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò) IP 數(shù)據(jù)流方式傳送數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程監(jiān)控。以上系統(tǒng)通過(guò)采用不同的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，均實(shí)現(xiàn)了對(duì)可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但 ZigBee 技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，GPRS 又易發(fā)生丟包現(xiàn)象。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合 LoRa 通信距離遠(yuǎn)、信號(hào)收發(fā)靈敏度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于 LoRa 自組網(wǎng)的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w濃度。

1 系統(tǒng)工作原理及功能

圖 1 所示為可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)主要由無(wú)線(xiàn)傳感器、LoRa 控制器和氣體監(jiān)測(cè)云平臺(tái)組成。無(wú)線(xiàn)傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后 LoRa 模塊按照規(guī)定的通信協(xié)議主動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的 LoRa 控制器。LoRa 控制器對(duì)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、處理，并定時(shí)發(fā)送到云平臺(tái)，云平臺(tái)接收、顯示 LoRa 控制器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常時(shí)平臺(tái)立即發(fā)送短信通知相關(guān)人員。

系統(tǒng)分為 3 個(gè)層次，氣體監(jiān)測(cè)云平臺(tái)與 LoRa 控制器之間采用 GPRS 通信方式 ；LoRa 控制器和無(wú)線(xiàn)傳感器之間采用 LoRa 通信方式 ；無(wú)線(xiàn)傳感器和聯(lián)動(dòng)模塊之間采用 RS 485通信方式。設(shè)計(jì)的 LoRa 控制器可連接 256 個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器，每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器都有唯一的識(shí)別碼。為避免信道擁堵，系統(tǒng)默認(rèn) 1 個(gè)控制器最多可連接 100 個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器。 無(wú)線(xiàn)傳感器將采集的氣體濃度轉(zhuǎn)換成 0 ～ 5 V 電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。除此之外，無(wú)線(xiàn)傳感器還具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字顯示、調(diào)零、標(biāo)定、變更地址、聲光報(bào)警等功能。其中，聯(lián)動(dòng)模塊由電磁閥和排風(fēng)風(fēng)扇組成，無(wú)線(xiàn)傳感器發(fā)生報(bào)警時(shí)，聯(lián)動(dòng)模塊對(duì)應(yīng)的繼電器工作，關(guān)閉電磁閥并啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)扇，從而避免事故的發(fā)生。

LoRa 控制器是系統(tǒng)最重要的部分，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。LoRa 控制器一方面通過(guò) 232 與串口屏通信，可查看報(bào)警時(shí)間、報(bào)警濃度、故障類(lèi)型等，也可設(shè)置、修改、查閱系統(tǒng)參數(shù) ；另一方面，LoRa 控制器中的 LoRa 網(wǎng)關(guān)接收無(wú)線(xiàn)傳感器上傳的氣體濃度信息，并進(jìn)行分析、處理、判斷。然后將處理數(shù)據(jù)定期通過(guò)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)傳至氣體監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警時(shí)立即上傳。同時(shí)也可修改 IP 地址、無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)量、上傳時(shí)間等參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LoRa 控制器主要包括電源模塊、顯示模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊，選用性能穩(wěn)定的 STM32F103RBT6 作為控制中心。電源模塊主要由主電供電和電池供電兩部分組成，主電供電由LS05-13B24R3 將交流電壓 220 V 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需要的直流電壓 5 V。LS05-13B24R3 是金升陽(yáng)提供的小型化裸板的高效綠色模塊電源，具有交直流兩用、輸入電壓范圍寬、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點(diǎn)，主電源電路原理如圖 2 所示。電池供電則由 24 V 電池進(jìn)行供電，24 V 轉(zhuǎn) 5 V 直流降壓電路采用 MP1584 芯片。開(kāi)關(guān)電源通過(guò)在內(nèi)部 MOS 管上加 PWM 開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制 MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電感和電容充放電，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)將電源電壓降壓的目的。電池供電電路原理如圖 3 所示。

無(wú)線(xiàn)模塊由 LoRa 網(wǎng)關(guān)和 GPRS 模塊組成，主要電路原理如圖 4 所示。

LoRa 網(wǎng)關(guān)采用 SEMTECH 公司出品的SX1278 射頻芯片。SX1278 射頻芯片是一種半雙工傳輸?shù)牡椭蓄l收發(fā)器，具有高靈敏度、低功耗、抗干擾等特點(diǎn)。采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能將數(shù)百萬(wàn)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與 LoRa 網(wǎng)關(guān)連接 ［7］。射頻前端和數(shù)字狀態(tài)機(jī)所有重要參數(shù)均可通過(guò)一個(gè) SPI 接口進(jìn)行配置，通過(guò) SPI 可以訪(fǎng)問(wèn) 1278 的配置寄存器。使用 SX1278 需要注意兩點(diǎn) ：一是與 MCU 連接時(shí)注意共地連接 ；二是 RST 管腳是 SX1278 無(wú)線(xiàn)模塊的復(fù)位引腳，低電平有效，在初始化操作成功后嚴(yán)禁使用此管腳。SX1278的工作頻率為 433 MHz，在同等發(fā)射功率下低頻的傳輸距離更遠(yuǎn)，覆蓋范圍更廣 ［8］。GPRS 模塊采用 SIMCom 提供的SIM800C，SIM800C 采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在休眠狀態(tài)下電流低 至 0.6 mA［9］。 將 SIM800C 的 TXD 和 RXD 與 MCU 的 串口 2 連接，并通過(guò) MCU 的串口 1 進(jìn)行打印。

顯示模塊選用迪文 DGUS 屏，通過(guò) 232 與微控制器通信，電路原理如圖 5 所示。

DGUS 屏主要把 GUI 分解成控件并按頁(yè)面配置。控件顯示由變量控制 ［10］，通過(guò) PC 軟件配置好控件文件下載到 DGUS 屏后，通過(guò)串口改寫(xiě)變量值即可實(shí)現(xiàn)控件顯示的相應(yīng)改變。

無(wú)線(xiàn)傳感器主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度的采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，電路原理如圖 6 所示。選用 5 V 高性能鋰電池供電，當(dāng)電池電壓下降到 3.3 V 后，蜂鳴器持續(xù) 10 s 警報(bào)以提醒用戶(hù)。

無(wú)線(xiàn)傳感器的微控制器選用 FM33LG048，F(xiàn)M33LG048 是一款基于 ARM32 位 Cortex-M0+ 內(nèi)核的產(chǎn)品，片上內(nèi)存包括256 KB FLASH 和 32 KB RAM，集成低功耗硬件時(shí)鐘，內(nèi)置液晶顯示驅(qū)動(dòng)，獨(dú)特的超低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)使得芯片在 1 MS/s采樣率下，功耗僅為 250 μA。紅外遙控模塊選用 VS1838B，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器的調(diào)零和標(biāo)定。

3.2 LoRa 主控制器軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)入循環(huán)之前，首先對(duì)微處理器和芯片進(jìn)行初始化，顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面 3 min，在此過(guò)程中不斷進(jìn)行電源檢測(cè)、按鍵檢測(cè)、屏幕檢測(cè)。開(kāi)機(jī)成功后，LoRa 網(wǎng)關(guān)上電，并掃描查看是否有 LoRa 節(jié)點(diǎn)加入。LoRa 節(jié)點(diǎn)加入后，控制器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，主要分為正常、故障、報(bào)警三種狀態(tài)，然后按順序提取協(xié)議中無(wú)線(xiàn)傳感器中對(duì)應(yīng)的氣體濃度和狀態(tài)位，將其存儲(chǔ)到 FLASH 中。

正常狀態(tài)下，上傳時(shí)間為 6 h，若為故障或報(bào)警狀態(tài)，則立即上傳。為降低系統(tǒng)功耗，未達(dá)到上傳時(shí)間時(shí)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。鍵值檢測(cè)及處理部分主要檢測(cè)屏幕是否有反應(yīng)，能否根據(jù)相應(yīng)鍵值進(jìn)行相關(guān)操作。屏幕界面分為三級(jí)權(quán)限操作目錄，每一級(jí)權(quán)限下有若干下拉界面選項(xiàng)，這些操作功能都在按鍵數(shù)據(jù)處理函數(shù)中完成。

進(jìn)入循環(huán)之后，需要注意每一個(gè)函數(shù)處理完成后都要進(jìn)行備電電路檢測(cè)。 LoRa 控制器與云平臺(tái)間采用 4G 長(zhǎng)連接模式，通過(guò) TCP與云平臺(tái)建立連接，首次建立連接或者斷開(kāi)連接再次連接上線(xiàn)后，首先發(fā)送登錄幀，等待云平臺(tái)應(yīng)答，超時(shí)無(wú)應(yīng)答并重試兩次仍無(wú)應(yīng)答則自動(dòng)斷開(kāi)服務(wù)器，釋放連接資源 ；如果收到云平臺(tái)應(yīng)答，則進(jìn)入正常工作流程，按 LoRa 控制器設(shè)置的上傳周期上傳數(shù)據(jù)。LoRa 控制器無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，斷開(kāi)連接。 如果連續(xù) 5 次連接失敗，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，模塊重新上電初始化，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到 10 次后，清零并發(fā)出警報(bào)，藍(lán)色指示燈常亮，提醒用戶(hù)聯(lián)網(wǎng)失敗。LoRa 控制器工作流程如圖 8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于 LoRa 技術(shù)的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)多種可燃性氣體，在通信距離傳輸和功耗性能方面都有了不同程度的改善，實(shí)現(xiàn)了可燃?xì)怏w安全云監(jiān)控，提高了整體區(qū)域可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

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作者簡(jiǎn)介： 張海濤（1995—），男，研究生，研究方向?yàn)?a target="_blank">嵌入式開(kāi)發(fā)。 韓耀振（1984—），男，教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代能源控制技術(shù)、新能源系統(tǒng)控制。

編輯：黃飛