一種基于LoRa無(wú)線傳輸?shù)那度胧皆O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

引 言

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，電氣化設(shè)備在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)著越來越重要的地位，而設(shè)備工作的健康狀態(tài)直接影響著工業(yè)生產(chǎn)單位的效率，因此設(shè)備監(jiān)測(cè)就顯得格外重要，傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測(cè)主要是人工定期巡檢，不僅消耗大量的人力，并且不能做到在設(shè)備達(dá)到即將故障的臨界點(diǎn)提前維修，大多數(shù)只能在設(shè)備發(fā)生故障之后緊急搶修，這樣在搶修的過程中，降低了工作效率，而一些定期檢修也只是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)來判斷檢修的時(shí)間間隔，沒有較強(qiáng)的針對(duì)性，效率低。這種在線檢修方式逐步被信息化時(shí)代的離線設(shè)備監(jiān)測(cè)方式所替代，即將設(shè)備的狀態(tài)信息通過有線通信的方式傳輸?shù)皆O(shè)備監(jiān)測(cè)中心，由后臺(tái)操作人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不過，這種有線通信的方式前期施工成本高，布線復(fù)雜，后期維護(hù)成本又隨著時(shí)間的推移逐步升高，而且不利于設(shè)備密集的場(chǎng)所使用，靈活度差，所以無(wú)線通信方式正在逐步取代有線通信方式，而隨著近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如火如荼的發(fā)展，相關(guān)的一些無(wú)線通信方案正走入人們的視野。比如近些年流行的LoRa調(diào)制技術(shù)，如參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種基于LoRa無(wú)線技術(shù)的動(dòng)車軸溫?zé)o線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[2]研究了基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)終端無(wú)線程序升級(jí)系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)[3]對(duì)基于SX1276芯片的LoRa與FSK技術(shù)在室內(nèi)定位中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

本文基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一款用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)，主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，很好地解決了上述設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳輸問題。

1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)與功能

此款設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用LoRa調(diào)制解調(diào)技術(shù)，具有低功耗、長(zhǎng)距離、抗干擾的優(yōu)勢(shì)，并且使用ISM頻段，無(wú)需授權(quán)許可，可以根據(jù)不同企業(yè)的需求，定制自己的私網(wǎng)，在頻段使用上不僅節(jié)約了大量的成本，而且提高了設(shè)備采集數(shù)據(jù)的保密性。本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備狀態(tài)采集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，組網(wǎng)簡(jiǎn)單可靠，單節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射功率可達(dá)+20 dBm。

主控制器芯片采用ST公司的STM32L151CBT6，比基礎(chǔ)型STM32F103系列芯片更節(jié)能，擁有128 KB的Flash空間，具有豐富的片上外設(shè)，如USART、SPI、I2C接口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道，并且還具有DMA功能。其中數(shù)傳模塊采用安信可公司的Ra-01模組，其中內(nèi)部集成本次節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)核心部件——LoRa數(shù)據(jù)傳輸芯片SX1278(Semtech公司)，該芯片適合在中國(guó)大陸ISM頻段的低頻段區(qū)間(137～525 MHz)使用，而北美地區(qū)則常使用SX1276。該節(jié)點(diǎn)前端有溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度，還有標(biāo)準(zhǔn)USB接口電路，負(fù)責(zé)采集傳輸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過通用異步收發(fā)器將采集信息傳輸給主控制器芯片，主控制器芯片將采集數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸給數(shù)傳模塊，該模塊再將數(shù)據(jù)通過LoRa調(diào)制的方式傳輸出去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)墓δ堋Ｔ趥鬏斁嚯x、抗干擾性以及功耗方面具有優(yōu)勢(shì)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源部分不僅是嵌入式設(shè)備能量的來源，更是設(shè)備能否正常穩(wěn)定運(yùn)作的保證，對(duì)于電源輸出電壓大小及穩(wěn)定性有著很高的要求。針對(duì)各個(gè)功能模塊對(duì)電壓的需求，該電源部分要可靠輸出5 V和3.3 V電壓，輸出電壓波紋不能太大。第一套方案采用開關(guān)型DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，輸入電壓為12 V，輸出電壓為5 V，該5 V電壓可以提供給USB數(shù)據(jù)采集電路和溫度采集電路使用，最后通過低壓差線性穩(wěn)壓電路(LDO)輸出3.3 V電壓供給MCU控制電路和LoRa傳輸模塊。DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路采用德州儀器公司的LM2576SX-5.0芯片，具有很好的穩(wěn)壓效果，具體電路如圖2所示。

圖2 開關(guān)型DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路

由于該DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路中有兩個(gè)220 μF的電解電容、一個(gè)220 μH的功率電感和一個(gè)肖特基二極管，體積比較大，即使是表貼封裝也占用大量的PCB面積，而且220 μH功率電感是一個(gè)很大的干擾源，在PCB走線的時(shí)候，對(duì)時(shí)鐘線和信號(hào)線影響較大，所以綜合考慮，此方案并不合適。

第二套方案就是本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采用的電源電路，核心技術(shù)采用“雙聯(lián)式”低壓差線性穩(wěn)壓電路(LDO)。輸入為直流12 V，經(jīng)過線性穩(wěn)壓，上半部分輸出5 V直流電壓，下半部分輸出3.3 V。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “雙聯(lián)式”低壓差線性穩(wěn)壓電路

LM1117-3.3與LM1117-5.0穩(wěn)壓芯片不僅在體積上小于LM2576-5.0，而且即使有兩路穩(wěn)壓電路，也比LM2576-5.0核心的DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路節(jié)省很大的PCB面積，這不僅在成本上可以節(jié)約很多，而且外圍電路搭建簡(jiǎn)單，輸入輸出分別只需一個(gè)47 μF的電解電容和一個(gè)0.1 μF的MLCC即可。前者負(fù)責(zé)低頻濾波、穩(wěn)壓，后者負(fù)責(zé)高頻濾波，保證輸出電壓波紋穩(wěn)定。筆者考察下路輸出電壓穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)見表1。

表1 3.3 V線性穩(wěn)壓輸出測(cè)試

由表中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)輸入電壓小于3.3 V時(shí)，輸出欠壓，只要當(dāng)輸入電壓高于3.3 V時(shí)，輸出穩(wěn)定在3.3 V左右，當(dāng)輸入為12 V時(shí)(本監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)輸入電壓)，輸出也穩(wěn)定在3.3 V。由此說明該設(shè)計(jì)滿足工程需要。上路線性穩(wěn)壓芯片同屬一個(gè)公司產(chǎn)品，也滿足該設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定輸出5 V。

2.2 功能電路設(shè)計(jì)

功能電路部分包括MCU控制電路(U1)、溫度采集電路(U6)、USB數(shù)據(jù)采集電路(U5)和LoRa傳輸模塊(U2)。詳細(xì)電路圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能電路圖

其中，溫度采集電路采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，這種數(shù)字溫度傳感器采用獨(dú)特的單線接口方式與STM32L151CBT6芯片相連，只占用了微控制器的一個(gè)I/O接口(PA0)，因此電路連接簡(jiǎn)單，而且在外部5 V供電的條件下，溫度測(cè)量精度高。本節(jié)點(diǎn)采用DS18B20外部電源供電方式，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)溫，也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫的功能，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DS18B20多點(diǎn)測(cè)溫電路圖

但需要注意的是，當(dāng)采用多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，數(shù)字溫度傳感器供電方式一定要采用外部電源供電方式，不可以采用如圖6所示的寄生電源供電方式，雖然寄生電源供電方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量，無(wú)需本地電源供電，但是當(dāng)多個(gè)DS18B20傳感器掛載在一個(gè)I/O接口線的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致I/O接口的驅(qū)動(dòng)能力不足，嚴(yán)重影響數(shù)字溫度傳感器的溫度測(cè)量精度，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。即使采用外部供電方式，多點(diǎn)測(cè)量溫度時(shí)，I/O接口也不是無(wú)限制地掛載傳感器，其數(shù)量最多不要超過7到8個(gè)，否則測(cè)溫精度也會(huì)大大下降。

圖6 DS18B20寄生電源供電方式

USB數(shù)據(jù)采集電路通過芯片CH340G實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，該轉(zhuǎn)換芯片需要外接12 MHz晶振為內(nèi)部提供時(shí)鐘，本電路選擇5 V供電模式，引腳V3要外接0.1 μF去耦電容接地，在VCC引腳除了提供5 V供電外，還要外接去耦電容和電解電容到地，詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)見圖4。

在LoRa數(shù)據(jù)傳輸模塊中，其內(nèi)部SX1278芯片按照Semtech公司給出的參考電路，已經(jīng)搭建完成，模塊外只需對(duì)電源引腳部分做簡(jiǎn)單的濾波處理即可，模塊的I/O接口引腳與微控制器GPIO引腳相連。

MCU控制電路主要搭建其最小系統(tǒng)，包括起振電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)配置電路、電源電路，還有如圖7所示的下載電路。這里采用JTAG程序下載方式，在VDDA(模擬供電)引腳加入C8電容，這樣使電源輸入更穩(wěn)定，提高了使用ADC功能時(shí)采集信號(hào)的精度。詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖7 JTAG下載電路

3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，在組網(wǎng)時(shí)其地位是平等的，根據(jù)具體的用途可以實(shí)現(xiàn)采集發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的相互轉(zhuǎn)化。在軟件功能設(shè)計(jì)上分為發(fā)送和接收兩個(gè)功能，其軟件流程圖如圖8和圖9所示。

圖8 發(fā)送節(jié)點(diǎn)軟件流程

圖9 接收節(jié)點(diǎn)軟件流程

對(duì)于發(fā)送節(jié)點(diǎn)，首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)初始化，包括MCU芯片各引腳、時(shí)鐘的配置等，然后節(jié)點(diǎn)通過USB數(shù)據(jù)采集電路設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，或者通過DS18B20溫度采集電路采集設(shè)備溫度信息。當(dāng)有發(fā)送需求時(shí)，響應(yīng)發(fā)送中斷，然后MCU控制電路通過SPI接口與LoRa數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)寫入LoRa模塊的FIFO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，并配置LoRa模塊的發(fā)送模式，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如果由于信道占用導(dǎo)致超時(shí)，或者接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致無(wú)法回復(fù)ACK，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入重發(fā)階段，如果發(fā)送成功，即等到了接收節(jié)點(diǎn)的ACK，則繼續(xù)等待發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，等待下一階段的數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)，當(dāng)其上電后，首先初始化節(jié)點(diǎn)，如果該接收節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的接力節(jié)點(diǎn)，則不需要采集設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，上電以后就在一定的時(shí)間間隔內(nèi)由既定程序喚醒，不斷檢測(cè)空中數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼，其他時(shí)間處于休眠狀態(tài)，這樣可以降低節(jié)點(diǎn)的功耗。當(dāng)檢測(cè)到空中數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼有效時(shí)，則發(fā)送接收數(shù)據(jù)的中斷請(qǐng)求，如果該前導(dǎo)碼無(wú)效則不接收該數(shù)據(jù)包，并繼續(xù)檢測(cè)前導(dǎo)碼。當(dāng)發(fā)送的接收數(shù)據(jù)中斷請(qǐng)求被響應(yīng)后，就會(huì)配置LoRa模塊中接收模式的寄存器，然后判斷該數(shù)據(jù)包負(fù)載部分的CRC校驗(yàn)字節(jié)是否正確，如果正確，則讀入該數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)換成待機(jī)模式，然后繼續(xù)檢測(cè)前導(dǎo)碼，準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)的接收，如果數(shù)據(jù)包的CRC校驗(yàn)字節(jié)不正確，則丟棄數(shù)據(jù)包，不進(jìn)行讀入操作，直接進(jìn)入待機(jī)模式，準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)的接收。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地選在大連交通大學(xué)沙河口校區(qū)，測(cè)試時(shí)間為2018年7月。采用雙節(jié)點(diǎn)一對(duì)一通信模式，沒有中繼節(jié)點(diǎn)接力轉(zhuǎn)發(fā)，考察節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量與傳輸距離極限。發(fā)射節(jié)點(diǎn)位于電氣信息學(xué)院三樓東側(cè)302實(shí)驗(yàn)室，接收節(jié)點(diǎn)分別沿圖10中標(biāo)注的3條路線分別測(cè)試，圖中終點(diǎn)位置為通信極限點(diǎn)。

其中接收節(jié)點(diǎn)在電氣信息學(xué)院樓內(nèi)的各個(gè)地點(diǎn)均能接收到采集數(shù)據(jù)，接收正確率為100%，說明其在室內(nèi)傳輸性能非常不錯(cuò)，所以當(dāng)該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)用于室內(nèi)設(shè)備監(jiān)測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸性能最佳。

室外傳輸場(chǎng)景比較復(fù)雜，正值炎夏，校園內(nèi)兩旁高樹林立，這些都是影響無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)臐撛谝蛩?。筆者選出實(shí)驗(yàn)路線1分析，經(jīng)過大量反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在配置傳輸條件時(shí)，設(shè)置帶寬為125 kHz，擴(kuò)頻因子分別為7、8、9時(shí)，傳輸效果最好。如圖10所示，當(dāng)過雙峰瀑布向西以后，通信質(zhì)量開始下降，接收數(shù)據(jù)時(shí)延變長(zhǎng)，直到圖10中最后箭頭所示位置以后，接收信息無(wú)法使用。筆者站在1號(hào)路線的心型處進(jìn)行該測(cè)試，其測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所列。

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試路線圖

表2 實(shí)驗(yàn)路線1心型位置數(shù)據(jù)接收測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由此可見，在室外復(fù)雜的環(huán)境條件下，單節(jié)點(diǎn)+20 dBm的功率依然可以傳輸很遠(yuǎn)，而且接收數(shù)據(jù)正確率滿足設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求，在實(shí)際應(yīng)用中可以在兩節(jié)點(diǎn)間增加中繼節(jié)點(diǎn)，這樣就可以增強(qiáng)傳輸質(zhì)量，綜合分析測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

結(jié) 語(yǔ)