LoRa通信技術(shù)在天然氣井數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

李光明　李海霞

摘要：為了保障天然氣井的生產(chǎn)安全，需要對各天然氣井中管道內(nèi)的差壓、溫度、壓力、流量等重要參數(shù)進行采集，以實時對井下作業(yè)狀態(tài)進行監(jiān)測。該文以天然氣井的監(jiān)測為切入點，引入了LoRa技術(shù)在天然氣井數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用這一話題，然后詳細闡述了LoRa通信技術(shù)的優(yōu)點和缺點，并對其基本原理進行了說明；以一個實際的系統(tǒng)設(shè)計為案例，對LoRa通信技術(shù)在天然氣井數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進行了全面分析，包括系統(tǒng)的總體方案設(shè)計、系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計；最后對LoRa通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用方向進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：LoRa；GPRS；天然氣井站；數(shù)據(jù)采集；STM32F407；STM8L152K4

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）27-0237-04

Application of LoRa Communication Technology in Natural Gas Well Data Monitoring System

LI Guang-ming，LI Hai-xia

（College of Electrical and Information Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xian 710021， China）

Abstract：In order to ensure the production safety of natural gas wells， it is necessary to collect the important parameters， such as differential pressure，temperature， pressure and flow in the pipeline of various natural gas wells， so as to monitor the condition of underground operation in real time. Taking the monitoring of natural gas well as the breakthrough point， this paper introduces the topic of the application of LoRa technology in the data monitoring system of natural gas well， then expounds the advantages and disadvantages of LoRa communication technology in detail， and explains its basic principle； with a practical system design as a case， the number of natural gas wells in the LoRa communication technology is the number of natural gas wells. According to the application of the monitoring system， a comprehensive analysis is made， including the overall scheme design of the system， the hardware design of the system and the software design of the system.Finally， the application direction of LoRa communication technology in the field of Internet of things is summarized and prospected.

Key word； LoRa；GPRS； natural gas well station； data acquisition； STM32F407； STM8L152K4

天然氣是現(xiàn)存較優(yōu)質(zhì)、高效的綠色能源之一，對世界能源消費革命和改善大氣環(huán)境有著重要作用。從我國目前現(xiàn)狀來看，雖然我國近幾年的天然氣消費量在持續(xù)增長，但天然氣在一次能源消費中的比重還很低，國家正在加快天然氣開發(fā)工作。而天然氣開采是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為了保證生產(chǎn)安全和開采效率，對天然氣井的重要參數(shù)進行采集并實行監(jiān)控是十分有必要的。目前已有多種基于不同原理的監(jiān)測方案，如485總線與M-BUS結(jié)合的方案、Zigbee的無線方案、3G/4G網(wǎng)絡(luò)方案，利用這些方案均可實現(xiàn)監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)上傳與遠程監(jiān)控中心的命令下發(fā)，但這些設(shè)計方案都各有弊端，而LoRa的出現(xiàn)，因其通信距離遠、抗干擾能力強、功率低、覆蓋范圍廣、成本低等優(yōu)點解決了通信距離短、容量低、成本高等問題，從而得到了廣泛的應(yīng)用。本文就對LoRa通信技術(shù)在天然氣井數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進行了全面分析，并設(shè)計了一個基于LoRa的天然氣井數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。希望本文的研究能為相關(guān)領(lǐng)域提供有益的借鑒。

1 LoRa通信技術(shù)的特點

LoRa通信技術(shù)是一種融合了數(shù)字擴頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)以及前向糾錯編碼技術(shù)的無線電調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其性能比傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)有了很大的進步，在同等功耗的情況下可以實現(xiàn)更遠的通信距離，并且不再需要進行信號中繼，非常適用于本系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的應(yīng)用需求[1]。

1） 傳輸距離遠。由于采用了先進的擴頻通信技術(shù)，LoRa使通信帶寬的利用實現(xiàn)了最優(yōu)化，大大降低了通信系統(tǒng)對信噪比的限制，因而使通信距離得到了明顯的增加。傳統(tǒng)的RF無線模塊最遠的傳輸距離一般不會超過2km，而采用LoRa技術(shù)可以在沒有中繼設(shè)備的條件下將通信距離增加到5km以上。突破了傳統(tǒng)的Zigbee、Wifi、藍牙等無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳輸距離上的關(guān)鍵瓶頸。

2） 傳輸功耗低。LoRa采用的擴頻調(diào)制技術(shù)使其應(yīng)用設(shè)計變得十分靈活，可靠性得到有效提高，即使噪聲水平在20dB以下也可以實現(xiàn)精確可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，如果想調(diào)整傳輸速率，只要對擴頻因子進行適當?shù)恼{(diào)整就行，并且發(fā)射功率優(yōu)于傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)。

3） 抗干擾性強。LoRa技術(shù)采用的擴頻通信技術(shù)本質(zhì)上就具備抗干擾的優(yōu)異性能，因為設(shè)備在接收信號后需要進行解擴處理才能對信號進行還原，這就避免了包括同類信號在內(nèi)的各干擾。

當然，LoRa技術(shù)本身也仍然存在著不少問題，例如由于擴頻調(diào)制造成的傳輸速率下降、實時性不夠、通信容量低，其應(yīng)用還受到LoRa射頻芯片價格的限制。

2 LoRa通信技術(shù)的原理

LoRa技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，主要有利于其對前向糾錯編碼和擴頻調(diào)制等技術(shù)的有效整合。所謂的前向糾錯編碼技術(shù)，一般是指在待發(fā)送數(shù)據(jù)流中插入部分特定的冗余字節(jié)，使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤可以被接收端糾正。當數(shù)據(jù)包中被插入了前向糾錯編碼后，就會直接傳輸至數(shù)字擴頻調(diào)制器中進行進一步處理。擴頻調(diào)制器的特點是可以通過調(diào)節(jié)擴頻因子來實現(xiàn)小容量數(shù)據(jù)通過大帶寬進行傳輸。擴頻調(diào)制技術(shù)是LoRa技術(shù)的核心，它可以使傳輸信息的信號帶寬遠大于信息本身的帶寬，然后通過全數(shù)字的形式進行傳輸。帶寬的改變從數(shù)學(xué)的角度上看實際上是利用了一個與被傳信息無關(guān)的函數(shù)對信息本身進行調(diào)制，即擴頻函數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩撕筮M行相反的運算過程進行解調(diào)，從而實現(xiàn)了遠距離、低功耗和大容量傳輸?shù)哪康摹?/p>

3 LoRa數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 天然氣井站監(jiān)測系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器、監(jiān)控中心四大部分組成。為了降低系統(tǒng)延遲和簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于LoRa通信技術(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)采用星形組網(wǎng)，采用LoRa擴頻芯片實現(xiàn)采集模塊與集中器直接組網(wǎng)連接，考慮到LoRa通信具有傳輸距離遠的優(yōu)點，在天然氣井的應(yīng)用場合中不需要安裝中繼設(shè)備，直接采用星形網(wǎng)絡(luò)即可搭建LoRa微功率網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集終端主要功能：負責(zé)各個天然氣井站的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給集中器；

LoRa網(wǎng)關(guān)主要功能：將監(jiān)控中心的命令下達給各個天然氣井站，并將各個井站的信息反饋到監(jiān)控中心，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，同時也負責(zé)多節(jié)點的在線管理；

云服務(wù)器主要功能是：在這里將各天然氣井站的數(shù)據(jù)信息匯聚、儲存以及處理；

監(jiān)控中心的主要功能：通過監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件聯(lián)通因特網(wǎng)，與各網(wǎng)關(guān)控制器建立實時通信，遙控、遙信、遙調(diào)監(jiān)控點的壓差、流量、溫度、閥門關(guān)閉狀態(tài)等。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動分析設(shè)施的運行狀況，預(yù)測故障，從而實現(xiàn)對天然氣井的實時遠程監(jiān)控。

3.2 硬件選型及設(shè)計

3.2.1 LoRa模塊的選型

在系統(tǒng)硬件選型中，選用了成都億佰特公司生產(chǎn)的型號為E32-TTL-100的無線串口模塊，該產(chǎn)品是基于SEMTECH專利技術(shù)芯片SX1278研發(fā)的一款高品質(zhì)LoRa射頻通信前端，工作在410～441MHz頻段（默認433MHz）。具有超遠距離擴頻通信、抗干擾性強、低電流消耗等特性。同時支持傳統(tǒng)的FSK調(diào)制和LoRa擴頻技術(shù)，最高可實現(xiàn)-147dBm的高靈敏度，采用工業(yè)級晶振，保證其穩(wěn)定性、一致性，精度均小于業(yè)內(nèi)普遍采用的10ppm，可實現(xiàn)最大20.4dBm的功率輸出，該模塊還具有數(shù)據(jù)加密和壓縮功能[3]。模塊在空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，具有隨機性，通過嚴密的加解密算法，使得數(shù)據(jù)截獲失去意義；而數(shù)據(jù)壓縮功能有概率減小傳輸時間，減小受干擾的概率，提高可靠性和傳輸效率，LoRa擴頻的通信距離可達5～8km。這些特點非常適合遠距離傳輸且對可靠性要求較高的應(yīng)用場景。

如果選用E32-TTL-1W的LoRa模塊，雖然發(fā)射功率比較大，但同時它所需要的發(fā)射電流也比較大，接近1A，而且外部還帶PA功率放大器，不帶外部PA功率放大器的才可以用干電池供電，考慮到本系統(tǒng)的電源供電方式、數(shù)據(jù)大小，最終選擇了以SX1278芯片為核心的E32-TTL-100的無線串口模塊，如果有些地方需要大功率的話，就必須外部供電，或者大電瓶供電。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端和集中器都用的是SX1278收發(fā)器。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集終端MCU的選擇

考慮到數(shù)據(jù)采集節(jié)點的低功耗、低成本功能的實現(xiàn)，方案以STM8L152K4單片機為節(jié)點核心，RAM只有2KB，通過RS-485總線接口與流量計、模擬量拓展單元連接，同時也支持IIC硬件協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總并進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再通過RTU內(nèi)置LoRa無線射頻模塊發(fā)送轉(zhuǎn)換信號。天然氣井站的RTU示意圖如圖2所示：

STM8L152K4通過程序邏輯對各傳感器發(fā)出采集指令?，F(xiàn)場傳感器統(tǒng)一采用工業(yè)標準信號4～20mA的模擬電流信號，轉(zhuǎn)化為電壓信號后經(jīng)過485串口傳入STM8L152K4進行處理。

3.2.3 LoRa網(wǎng)關(guān)的MCU選擇

考慮到處理器的運算速度、外設(shè)種類、操作系統(tǒng)、可擴展性、數(shù)據(jù)存儲空間、資料豐富程度等因素，本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的主控芯片以ARM內(nèi)含Cortex-M3內(nèi)核的STM32F407為核心，外設(shè)模塊可通過US-ART與RS-232、RS-485以及LoRa通訊模塊連通，同時SPI接口與存儲模塊通信。

本系統(tǒng)的匯聚節(jié)點主要負責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)指令的下達、終端采集數(shù)據(jù)的接收與上傳、系統(tǒng)的檢測以及管理等功能，其匯聚節(jié)點示意圖如圖3所示，匯聚節(jié)點通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)接收區(qū)域內(nèi)采集節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并通過GPRS將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心；同時下發(fā)監(jiān)控中心的命令到LoRa網(wǎng)絡(luò)任意采集節(jié)點。

理論上，一個LoRa集中器匯聚節(jié)點可以最多容納三萬個終端采集節(jié)點。但是在實際使用中，太多的終端節(jié)點會使集中器負擔(dān)過重，以至于導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓或誤碼率增加[4]，所以按區(qū)域劃分，減少集中器的負擔(dān)，多設(shè)置一些集中器匯聚節(jié)點。首先在井下的各監(jiān)測點中布設(shè)相應(yīng)的傳感器，由STM8L152K4控制采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，然后由STM8L152K4采集模塊將采集到的信號發(fā)送給LoRa模塊。LoRa模塊首先要把STM8L152K4發(fā)出的數(shù)字信號調(diào)制為LoRa信號，然后通過STM8L152K4控制的LoRa模塊統(tǒng)一發(fā)送至集中器進行數(shù)據(jù)匯總，集中器上的LoRa模塊對接收信號進行解調(diào)并按相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換為GPRS信號，由GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，信號最終從無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，并匯總到云平臺。最后用戶通過Web或者App訪問云端的參數(shù)，從而實現(xiàn)對天然氣井的實時遠程監(jiān)控。

3.2.4 電源模塊

考慮不同的指標采集頻率不一樣，沒必要把采集頻率低的調(diào)高，因為這樣子不但浪費電能、浪費空中信道而且增大系統(tǒng)壓力，所以可以把采集頻率設(shè)為1小時采集1次，那么4節(jié)5號電池至少可以可用兩年，這也與本系統(tǒng)的低功耗相呼應(yīng)。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用FreeRTOS實時操作系統(tǒng)來進行各個天然氣井站參數(shù)的調(diào)度與管理，F(xiàn)reeRTOS是一個可裁剪的小型RTOS系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有簡單、易用、高移植性、任務(wù)數(shù)量不限等特點，通常情況下內(nèi)核占用4K～9K字節(jié)的空間。

本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。開機后，STM8L152K4通過系統(tǒng)軟件會對整個系統(tǒng)進行初始化，設(shè)置寄存器、定時器等資源的初始狀態(tài)，并進入待采集狀態(tài)。然后由STM8L152K4發(fā)出一條數(shù)據(jù)采集命令，現(xiàn)場采集模塊接收到命令后，根據(jù)地址讀取相應(yīng)傳感器的當前數(shù)據(jù)并保存在寄存器中。接著STM8L152K4會將寄存器中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存并做簡單的預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)傳輸給LoRa模塊，LoRa對數(shù)據(jù)進行調(diào)制后向外發(fā)出，接收機通過對數(shù)據(jù)解調(diào)后，轉(zhuǎn)化為GPRS信號，并調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，完成一次數(shù)據(jù)采集與發(fā)送任務(wù)。此時系統(tǒng)會進行一次時間判定，如果未到達下一個采集周期，并且距離下一個采集周期時間較長時，會將系統(tǒng)切換到休眠狀態(tài)。直到下一個采集周期到來后，才再次喚醒系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。

本系統(tǒng)的特點在于引入了系統(tǒng)休眠機制，考慮到采集模塊長期處于井下環(huán)境，有時候僅需要周期性地對井下數(shù)據(jù)進行采集即可，在不采集期間，電路大部分時間處于空閑狀態(tài)，此時可將系統(tǒng)切換為休眠狀態(tài)，最大限度地減少系統(tǒng)的功耗。

4 系統(tǒng)測試

搭建本系統(tǒng)的測試環(huán)境，驗證本天然氣井站監(jiān)控系統(tǒng)中從采集端到匯聚節(jié)點端的運行效果。本測試系統(tǒng)中搭建的模擬環(huán)境主要由1個匯聚節(jié)點、2個采集節(jié)點、兩個DHT11溫濕度傳感器組成，匯聚節(jié)點通過E15-USB-T2轉(zhuǎn)接板與電腦連接，從而實現(xiàn)STM32測試板與PC機的通信，再利用串口調(diào)試助手查看兩個采集節(jié)點采集的具體數(shù)據(jù)與接受和發(fā)送的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。采集節(jié)點的射頻中心頻率為433MHz、發(fā)射功率為20.4dBm、串口波特率為9600bps。測試結(jié)果如圖5所示，其中10和11為采集節(jié)點編號，23、16為對應(yīng)節(jié)點的十六進制的濕度和溫度，轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)就是35、22。

測試結(jié)果表明，SX1278無線串口可以正常運行收發(fā)程序，同時PC機可以正常接受并顯示一定距離外的采集端的溫濕度數(shù)據(jù)，且節(jié)點入網(wǎng)靈活，一個集中器可以容納幾個甚至上萬個節(jié)點，數(shù)目拓展性強。這為天然氣井站遠程監(jiān)控系統(tǒng)做出了重要的改善，提高了網(wǎng)絡(luò)容量、工作效率、網(wǎng)絡(luò)可靠性。

5 總結(jié)

目前針對天然氣井站的監(jiān)控系統(tǒng)已有多種基于不同原理的監(jiān)測方案，如485總線與M-BUS結(jié)合的方案，需要在現(xiàn)場進行布線和市電取電，這在天然氣井站的現(xiàn)場來說非常不便；后來，又出現(xiàn)了Zigbee的無線方案，不需要現(xiàn)場布線同時也可以采用電池供電，在使用上方便了很多，但是Zigbee技術(shù)組網(wǎng)存在著會很大的弊端——通訊距離太近，遠距離傳輸時易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，不太適合于天然氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)；再后來出現(xiàn)了3G/4G網(wǎng)絡(luò)，利用3G/4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)上傳與遠程監(jiān)控中心的命令下發(fā)，但存在成本過高、可靠性差、在某些信號相對較弱的地方易出現(xiàn)丟包現(xiàn)象等問題，以前的這些設(shè)計方案都各有弊端，而LoRa具有通信距離遠、抗干擾能力強、覆蓋范圍廣、成本低等特點，通過LoRa技術(shù)的溫濕度采集實驗充分證明了LoRa無線通信技術(shù)的特點，即通過把節(jié)點的采集數(shù)據(jù)直接上傳到集中器，實現(xiàn)點對點的直接通信，提高了系統(tǒng)的可靠性；利用電池供電，避免了市電取電的不便性；數(shù)據(jù)采集節(jié)點的增、刪也比較便利，增強了系統(tǒng)的拓展性；并且此系統(tǒng)具有較強的移植性，可以應(yīng)用在和本系統(tǒng)一樣具有遠距離通信、低功耗要求的應(yīng)用場所，如智能抄表系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能路燈等，在打造“智慧”城市進程中存在巨大的潛力。

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