基于LoRa的工業(yè)監(jiān)測自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

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(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

工業(yè)上為了保證生產(chǎn)安全和生產(chǎn)質(zhì)量，大量的工業(yè)信息監(jiān)測傳感器正投入使用?，F(xiàn)就鋼鐵冶煉工業(yè)中對鍋爐煤槍管道溫度監(jiān)測采集傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析，目前鋼鐵工業(yè)中對管道溫度采集的數(shù)據(jù)普遍采用zigbee傳輸，其通信距離有限，無法同時兼顧抗干擾和低功耗，所以本系統(tǒng)設(shè)計采用LoRa通信，相比于zigbee通信，其具有低功耗、抗干擾強和通信距離遠(yuǎn)的特點[1]。但實際應(yīng)用中，還是存在LoRa通信的鄰頻干擾[2]、LoRa網(wǎng)關(guān)的節(jié)點容量有限以及傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù)無法在線設(shè)置的問題。針對這些問題，并借鑒modbus協(xié)議的設(shè)計思想[3]，本文提出基于LoRa的工業(yè)監(jiān)測自組網(wǎng)協(xié)議系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)監(jiān)測自組網(wǎng)系統(tǒng)主要由溫度采樣節(jié)點、通信網(wǎng)關(guān)、上位機服務(wù)器和web前端四部分組成。

系統(tǒng)工作時，溫度節(jié)點負(fù)責(zé)對環(huán)境溫度信息進(jìn)行采集并將溫度值通過LoRa無線傳輸給子網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)集成有8路的子網(wǎng)關(guān)，其負(fù)責(zé)接收節(jié)點溫度信息，網(wǎng)關(guān)MCU處理信息并打包節(jié)點數(shù)據(jù)通過TCP傳輸方式發(fā)送給服務(wù)器。上位機服務(wù)器負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)通信中上行、下行的數(shù)據(jù)。web前端負(fù)責(zé)顯示各類信息，以及控制指令的下發(fā)。

用戶可以使用與服務(wù)器IP地址在同一網(wǎng)段的任何一臺PC打開web上位機的前端即系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實時監(jiān)測溫度的同時能夠在線操控網(wǎng)關(guān)。服務(wù)器則響應(yīng)來自前端的數(shù)據(jù)顯示請求，或是解析處理到來的數(shù)據(jù)信息或控制信息。

自組網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計實現(xiàn)了MCU對8路子網(wǎng)關(guān)的合理化控制及網(wǎng)關(guān)同服務(wù)器規(guī)范化的信息交互。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 溫度節(jié)點硬件設(shè)計

LoRa溫度節(jié)點硬件部分包括主控芯片、溫度傳感器、LoRa射頻模塊以及電源管理模塊。溫度傳感器以單總線方式連接主控芯片，射頻模塊則以SPI接線方式連接主控芯片。

節(jié)點主控芯片使用的是意法半導(dǎo)體(ST)公司開發(fā)的STM32L053R8[4]，其具有超低功耗、高速率、外設(shè)接口豐富等特點。DS18B20可編程分辨率的單總線數(shù)字溫度計，其具有測溫范圍廣、精度高、轉(zhuǎn)換速度快等特點。SX1276[5]主要采用LoRaTM遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，能夠最大限度降低電流消耗，此外SX1276制作成本低，且具有高靈敏度。節(jié)點采用3.6 V鋰電池供電。

2.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)部分包括8路的子網(wǎng)關(guān)、主控芯片、WK系列串口擴展模塊、W5500網(wǎng)口模塊和電源管理模塊以及其他預(yù)留功能模塊。

子網(wǎng)關(guān)硬件部分無溫度傳感器，其余結(jié)構(gòu)大致和節(jié)點相同，微控制器為STM32L053R8，搭載了137 MHz至1020 MHz低功耗遠(yuǎn)距離收發(fā)器SX1276。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

圖2為網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖，網(wǎng)關(guān)的主控芯片采用ST公司開發(fā)的STM32F407VET6[6]，這款芯片具有處理速度快、存儲容量大、片內(nèi)功能豐富等特點。W5500[7]是一款全硬件支持TCP/IP協(xié)議的嵌入式以太網(wǎng)控制器，可同時支持8路的Socket獨立通信，具有穩(wěn)定高速網(wǎng)絡(luò)通訊的特點。

網(wǎng)關(guān)預(yù)留了片外存儲模塊、4G模塊和GPS模塊。片外存儲模塊提供1 G的外部可讀寫flash，4G模塊為了網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸增加了一種通信渠道，用戶可以通過4 G網(wǎng)絡(luò)無線終端接收網(wǎng)關(guān)實時發(fā)送的數(shù)據(jù)。GPS模塊主要是在全部子網(wǎng)關(guān)滿載且長時間工作后，對網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)時間進(jìn)行校準(zhǔn)。電源管理部分采用外部12 V電源供電。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序流程的設(shè)計分為三部分：節(jié)點程序流程設(shè)計、網(wǎng)關(guān)程序流程設(shè)計、web上位機設(shè)計流程[8]。本節(jié)主要就節(jié)點和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分析。

3.1 節(jié)點程序流程設(shè)計

節(jié)點對環(huán)境溫度進(jìn)行采樣并將采樣到的溫度信息通過數(shù)字信號發(fā)送到相應(yīng)的子網(wǎng)關(guān)。但在周期采樣前節(jié)點須先向子網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請求，在收到入網(wǎng)許可后，便開始正常工作。入網(wǎng)請求是為了同子網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)時間同步，而使同一子網(wǎng)關(guān)下的全部節(jié)點可按同一系統(tǒng)時間來分配發(fā)送的時間順序。入網(wǎng)不成功則需要重新入網(wǎng)。節(jié)點程序流程如圖3所示。

圖3 節(jié)點程序流程圖

節(jié)點的工作流程還遵循自組網(wǎng)協(xié)議，需要按照協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議規(guī)定的指令碼進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.2 網(wǎng)關(guān)程序流程設(shè)計

網(wǎng)關(guān)程序流程設(shè)計包括子網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)兩部分。兩者依據(jù)自組網(wǎng)協(xié)議規(guī)范來實現(xiàn)信息的交互和具體的功能。

3.2.1 子網(wǎng)關(guān)程序流程設(shè)計

子網(wǎng)關(guān)的程序流程，大致和節(jié)點的程序流程相反。即節(jié)點SX1276設(shè)置為發(fā)送模式入網(wǎng)請求發(fā)送，子網(wǎng)關(guān)則將SX1276設(shè)置為接收模式，接收到入網(wǎng)信息后，對信息校驗，校驗正確便讀取RTC時鐘信息，并將時鐘值寫入回復(fù)信息包中，然后SX1276設(shè)為發(fā)送模式對節(jié)點入網(wǎng)信息進(jìn)行回復(fù)。發(fā)送成功后，便開啟接收模式，接收后續(xù)的節(jié)點周期上傳的數(shù)據(jù)或其他節(jié)點的入網(wǎng)請求。子網(wǎng)關(guān)程序流程如圖4所示。

圖4 子網(wǎng)關(guān)程序流程圖

WK2124模塊將子網(wǎng)關(guān)4路的串口轉(zhuǎn)成SPI接口連接至網(wǎng)關(guān)的MCU。子網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點周期信號會將數(shù)據(jù)通過WK2124串口擴展模塊繼續(xù)上傳給主網(wǎng)關(guān)的MCU。

3.2.2 主網(wǎng)關(guān)程序流程設(shè)計

網(wǎng)關(guān)通過兩個WK2124串口擴展模塊，連接并管控8路子網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)MCU主要負(fù)責(zé)驅(qū)動W5500網(wǎng)絡(luò)接口，處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行上行或下行的傳輸。

網(wǎng)關(guān)上電，網(wǎng)關(guān)MCU進(jìn)行初始化。配置3路SPI，通過SPI讀寫W5500和WK2124的寄存器來設(shè)置W5500和WK2124。開啟定時器，對網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行偵聽計時。網(wǎng)關(guān)通過DHCP來獲取本地IP地址，目的端IP地址根據(jù)上位機服務(wù)器的IP地址來配置，相關(guān)端口的設(shè)置在W5500的初始化中執(zhí)行。連接建立8路Socket，分別用于8路子網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信。

查詢網(wǎng)絡(luò)上行的數(shù)據(jù)，根據(jù)WK2124是否產(chǎn)生中斷判斷是否有上行數(shù)據(jù)包，有則MCU進(jìn)中斷解析上行數(shù)據(jù)，之后通過網(wǎng)口將經(jīng)解析的數(shù)據(jù)包傳至服務(wù)器。查詢網(wǎng)絡(luò)中下行數(shù)據(jù)，通過偵聽0號Socket的接收狀態(tài)，判斷接收狀態(tài)寄存器是否置1，是則讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并將解析后的數(shù)據(jù)包通過WK2124繼續(xù)下發(fā)至相應(yīng)子網(wǎng)關(guān)，子網(wǎng)關(guān)收到指令便回復(fù)具體的應(yīng)答包。按照以上流程，程序不斷輪循，期間若出現(xiàn)物理斷網(wǎng)或接收超時，則復(fù)位W5500重新連網(wǎng)。

對于預(yù)留功能模塊，主網(wǎng)關(guān)通過串口3接收GPS模塊采集的時間及坐標(biāo)值。4G通信模塊在W5500網(wǎng)口禁用情況下使用，通過串口2發(fā)AT指令將4G模塊配置成透傳模式，通過相應(yīng)的移動終端接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.3 Web上位機程序流程設(shè)計

Web上位機包括前端顯示操作界面、服務(wù)器控制臺和數(shù)據(jù)庫三部分[9]。

服務(wù)器工作流程。服務(wù)器控制臺對設(shè)定的端口進(jìn)行偵聽，網(wǎng)關(guān)初始化了8個Socket對應(yīng)著8路子網(wǎng)關(guān)，并同目的服務(wù)器建立了8個TCP連接，服務(wù)器開啟8個線程開始對8路連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理。上行的節(jié)點信息或子網(wǎng)關(guān)信息直接存入數(shù)據(jù)庫中。

下行指令的處理過程。按照自組網(wǎng)協(xié)議，通過web前端的監(jiān)控界面發(fā)送具體指令給服務(wù)器控制臺，服務(wù)器控制臺對指令作出響應(yīng)同時解析指令信息，并將解析后的控制包下發(fā)至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)MCU再根據(jù)自組網(wǎng)協(xié)議解析出新指令包并下發(fā)給相應(yīng)的子網(wǎng)關(guān)，子網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)配置，配置成功信息返回給服務(wù)器控制臺，服務(wù)器會繼續(xù)將響應(yīng)信息回復(fù)給前端。

上行數(shù)據(jù)的處理過程即前端顯示數(shù)據(jù)的過程。服務(wù)器從連接中偵聽數(shù)據(jù)，并將偵聽到的值寫入數(shù)據(jù)庫，前端顯示界面向服務(wù)器發(fā)出讀數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器響應(yīng)請求并訪問數(shù)據(jù)庫讀取相應(yīng)的值，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至前端進(jìn)行顯示。

4 自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計

自組網(wǎng)協(xié)議規(guī)定了系統(tǒng)通信中每一個數(shù)據(jù)包的包類型，其用于通信數(shù)據(jù)的解析及功能的實現(xiàn)[10]。這套自定義的協(xié)議所涉及的包類型如表1所示。

表1 協(xié)議的包類型

節(jié)點數(shù)據(jù)包有分配請求包、入網(wǎng)請求包和周期采樣數(shù)據(jù)包三類。子網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)包則包括查詢響應(yīng)包和設(shè)置響應(yīng)包。下行數(shù)據(jù)包分為查詢包和參數(shù)設(shè)置包。上行的數(shù)據(jù)包長度定為16個字節(jié)，下行的數(shù)據(jù)包長度定義為8個字節(jié)，預(yù)留的字節(jié)賦值0x00。包頭用于網(wǎng)關(guān)MCU對上行數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，包類型則關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的解析函數(shù)。網(wǎng)關(guān)參數(shù)包括網(wǎng)關(guān)頻率(q)、擴頻因子(Spreading Factor, SF)、編碼率(Code Rate, CR)、帶寬(Band Width, BW)和時隙(Per)。鑒于子網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)包與節(jié)點數(shù)據(jù)包相似，此處僅給出表2節(jié)點數(shù)據(jù)幀格式。

表2 節(jié)點數(shù)據(jù)幀格式

在節(jié)點剛上電或入網(wǎng)請求接收超時的情況下。節(jié)點將分配請求發(fā)送給0號子網(wǎng)關(guān)。0號子網(wǎng)關(guān)收到分配請求后，根據(jù)節(jié)點號查詢對應(yīng)子網(wǎng)關(guān)的參數(shù)，并將參數(shù)寫入到分配回復(fù)中返回給節(jié)點。節(jié)點接收成功，同步了子網(wǎng)關(guān)的射頻參數(shù)后，便開始發(fā)送入網(wǎng)請求給對應(yīng)子網(wǎng)關(guān)。子網(wǎng)關(guān)接收到請求后將入網(wǎng)回復(fù)發(fā)給節(jié)點，節(jié)點解析回復(fù)包并同步網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)時間，按照網(wǎng)關(guān)時間標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)點號所分配的發(fā)送順序，節(jié)點將溫度采樣信息周期性的發(fā)送給子網(wǎng)關(guān)。子網(wǎng)關(guān)對收到的節(jié)點數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC校驗，校驗成功后再添加包頭及相關(guān)字節(jié)，以16字節(jié)的上行數(shù)據(jù)包通過WK2124傳遞給網(wǎng)關(guān)MCU，網(wǎng)關(guān)將校驗成功的數(shù)據(jù)以16字節(jié)的數(shù)據(jù)格式通過網(wǎng)口繼續(xù)傳給服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)再校驗，并將校驗后的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。下行的控制指令，在web前端進(jìn)行輸入，并通過服務(wù)器下發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)MCU對參數(shù)設(shè)置包和網(wǎng)關(guān)查詢包進(jìn)行相關(guān)解析，再根據(jù)網(wǎng)關(guān)號netcode定向傳輸給子網(wǎng)關(guān)。子網(wǎng)關(guān)根據(jù)所收到包的包類型再做相應(yīng)處理，處理成功后子網(wǎng)關(guān)將回復(fù)對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置響應(yīng)包和網(wǎng)關(guān)查詢響應(yīng)包。若處理錯誤則回復(fù)Error_ack包。

5 系統(tǒng)測試

本設(shè)計通過web前端界面進(jìn)行測試。前端界面提供節(jié)點數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口，子網(wǎng)關(guān)信息窗口以及指令發(fā)送界面。

考慮到實驗室的測試設(shè)備有限，測試階段僅開啟了1號、2號子網(wǎng)關(guān)和處理分配任務(wù)的0號子網(wǎng)關(guān)以及10個節(jié)點。先前研究證明了子網(wǎng)關(guān)程序可以支持節(jié)點滿載，所以本設(shè)計的測試過程是合理的，且測試結(jié)果依然可以用來檢驗設(shè)計是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖5 節(jié)點數(shù)據(jù)顯示界面

每個子網(wǎng)關(guān)搭載5個節(jié)點，圖5的界面對各節(jié)點的采樣溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。節(jié)點數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口只顯示type為0x04的周期采樣數(shù)據(jù)，自動濾除配分請求信息和入網(wǎng)請求信息。

圖6 子網(wǎng)關(guān)信息顯示界面

圖6的界面顯示了子網(wǎng)關(guān)的參數(shù)信息及接收狀態(tài)信息。參數(shù)信息為當(dāng)前所設(shè)置的參數(shù)，接收狀態(tài)信息為最近一個周期內(nèi)所統(tǒng)計收到的節(jié)點總數(shù)(sum)和丟包率(Packet Loss Rate，PLR)。網(wǎng)關(guān)信息窗口每個采樣周期更新一次，采樣周期為時隙值。

指令發(fā)送頁面比較簡潔，發(fā)送窗口只支持發(fā)送HEX的8個字節(jié)的指令數(shù)據(jù)，指令發(fā)送完成后顯示“發(fā)送成功!”的字樣。當(dāng)輸入1號子網(wǎng)關(guān)的配置指令改變子網(wǎng)關(guān)的射頻參數(shù)，1號子網(wǎng)關(guān)會將更新的信息發(fā)往0號子網(wǎng)關(guān)，以更新0號網(wǎng)關(guān)的子網(wǎng)關(guān)參數(shù)信息表。1號子網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的節(jié)點在多次發(fā)送入網(wǎng)請求信息都無法獲得響應(yīng)后，則會向0網(wǎng)關(guān)重新發(fā)送分配請求，0網(wǎng)關(guān)會再為其分配新的1號子網(wǎng)關(guān)的參數(shù)信息，節(jié)點設(shè)置好新的射頻參數(shù)后，將會重新請求入網(wǎng)。測試結(jié)果顯示配置參數(shù)后的1號子網(wǎng)關(guān)一段時間后又陸續(xù)收到了節(jié)點的入網(wǎng)請求信息，節(jié)點便開始周期上傳溫度數(shù)據(jù)。在指令發(fā)送頁面，輸入1號子網(wǎng)關(guān)的查詢指令，網(wǎng)關(guān)信息窗口便顯示出子網(wǎng)關(guān)更新后的參數(shù)信息。以上測試表明系統(tǒng)成功實現(xiàn)了子網(wǎng)關(guān)參數(shù)的在線設(shè)置。

6 結(jié)論

系統(tǒng)測試結(jié)果符合設(shè)計預(yù)期要求。測試?yán)e了對1號子網(wǎng)關(guān)的操作。參照自組網(wǎng)的協(xié)議規(guī)范，可以實現(xiàn)對多達(dá)8路子網(wǎng)關(guān)的管控，除0號子網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)存儲各子網(wǎng)關(guān)的射頻參數(shù)表及分配節(jié)點射頻參數(shù)外，1～7號子網(wǎng)關(guān)都用來接收節(jié)點采樣數(shù)據(jù)，這便大大增加了總網(wǎng)關(guān)的節(jié)點容量。解決了引文中提到的節(jié)點容量不足的問題。

對于之前工業(yè)上監(jiān)測整片工業(yè)區(qū)須要切換多個上位機窗口對溫度進(jìn)行監(jiān)測的情況。本文的設(shè)計在保證測控覆蓋范圍不變或者更大的前提下，只需通過一個web上位機前端對總網(wǎng)關(guān)進(jìn)行操作便可實現(xiàn)所有的基本功能，同時本設(shè)計還支持網(wǎng)關(guān)參數(shù)的在線修改，解決了引文中提到的不支持參數(shù)在線修改的問題。

對于LoRa通信的鄰頻率干擾問題，子網(wǎng)關(guān)通過統(tǒng)計一個周期的丟包率是否超出閾值以及判斷接收信號強度和信噪比是否低于正常工作環(huán)境的門限值的這三種判跳機制，來實現(xiàn)子網(wǎng)關(guān)的自適應(yīng)調(diào)頻。從而解決了鄰頻干擾問題。

本設(shè)計增大了網(wǎng)關(guān)集成度，降低了工業(yè)上網(wǎng)關(guān)的投入成本，運用自組網(wǎng)協(xié)議，使系統(tǒng)工作更加靈活和穩(wěn)定，能為工業(yè)監(jiān)測帶來極大的便利。