基于LoRa與可編程片上系統(tǒng)的紡織設(shè)備無線數(shù)傳節(jié)點

萬雪芬，楊 義，崔 劍，Sardar Muhammad Sohail，蘭 蕓

（1.華北科技學(xué)院計算機學(xué)院，河北廊坊 065201；2.河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，河北廊坊 065201；3.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；4.東華大學(xué)數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620；5.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

紡織智能化是我國紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心手段。紡織智能化需要建立在以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)的信息化與工業(yè)化的廣泛融合上。雖然近年來我國紡織行業(yè)設(shè)備自動化程度不斷提高，但是設(shè)備的信息交互能力略有不足。此外，在行業(yè)中還存在大量的老舊設(shè)備因為成本等原因無法迅速淘汰。如何為紡織設(shè)備提供有效的信息交互通道，防止出現(xiàn)信息孤島是實現(xiàn)紡織智能化面對的主要挑戰(zhàn)之一。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展有望為上述問題提供有效的解決手段[1-2]。面向下一代物聯(lián)網(wǎng)的LoRa 低功耗廣域網(wǎng)（LoRa LPWAN，Long Range Low-Power Wide-Area Network）技術(shù)有望克服ZigBee、WiFi 等傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸方式的傳輸距離短、網(wǎng)絡(luò)拓撲復(fù)雜、組網(wǎng)能力受限等問題，同時避免有線傳輸方式布線復(fù)雜、靈活度差、成本較高等不足[3-5]，為智能化紡織提供設(shè)備間、設(shè)備到中心站等通路上穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸通道。而借助可編程片上系統(tǒng)（Programmable System-on-Chip，PSoC）則可在低成本、高可靠性的前提下靈活地匹配設(shè)備，實現(xiàn)高度集成化系統(tǒng)設(shè)計，并有助于提供基于芯片IP 核（Intellectual Property Core）的信息服務(wù)[6-7]。本文基于LoRa與PSoC 技術(shù)，提出一種適用于紡織設(shè)備升級改造的無線數(shù)傳節(jié)點，為紡織設(shè)備信息化升級及產(chǎn)業(yè)智能化提供相應(yīng)的支持。

1 LoRa與PSoC技術(shù)

LoRa 無線傳輸技術(shù)由Semtech 公司提出，其物理層基于啁啾擴頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）[8-10]。通過CSS 技術(shù)可以有效降低信號在傳輸過程中的多徑效應(yīng)，障礙物穿透性好，視距通信距離可達10 km 以上，并可實現(xiàn)-140 dBm的超高靈敏度。這一特點非常適合在紡織企業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)。在一個LoRaWAN中可以容納百萬級節(jié)點，這為紡織生產(chǎn)流程控制、環(huán)境及污染物監(jiān)測、廠區(qū)精細化管理等多維度的聯(lián)網(wǎng)需求提供了充裕的組網(wǎng)接入保障。LoRa 在組網(wǎng)中采用簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。LoRa 單節(jié)點成本與ZigBee 等持平，無需中繼節(jié)點進行多跳傳輸也會顯著降低系統(tǒng)整體成本及布設(shè)復(fù)雜度。與NB-IoT、Sigfox 等同屬LPWAN的技術(shù)相比，其日常工作無需依靠移動數(shù)據(jù)運營商，不會產(chǎn)生持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)接入運營成本。Semtech 現(xiàn)已和IBM、Microchip 等公司共同成立LoRa 全球技術(shù)聯(lián)盟（LoRa-Alliance），依托該聯(lián)盟強大的產(chǎn)業(yè)化支持，也有助于構(gòu)建面向紡織的LoRa 產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

PSoC 單個芯片上高度集成了可配置模擬和數(shù)字設(shè)備功能、存儲器和微控制器等?？衫肞SoC 芯片內(nèi)的CPU、存儲器、數(shù)字子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)等IP 核資源，通過數(shù)字和模擬總線將這些IP 核連接在一起，在一個“硅片”上實現(xiàn)“定制”功能的數(shù)?；旌锨度胧较到y(tǒng)。利用PSoC 實現(xiàn)針對紡織設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可兼具高集成度與高可靠性的優(yōu)點。通過PSoC 實現(xiàn)針對紡織應(yīng)用的最突出的優(yōu)點是可以在通用化的硬件結(jié)構(gòu)上形成對具體應(yīng)用有極高針對性的IP 核設(shè)計，并實現(xiàn)設(shè)計重用。我國現(xiàn)有紡織設(shè)備型號繁雜、新舊不一，應(yīng)用需求也具有較大的差異化，企業(yè)規(guī)模與其信息化投入等也存在較大差異。若針對每一個需求都單獨研制硬件平臺，不僅會增大成本與研發(fā)周期，也不利于產(chǎn)品在行業(yè)市場中占得先機。而通過PSoC 基于其內(nèi)部原生IP 核及通用數(shù)字模塊（Universal Digital Block，UDB），可以在不改變硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)針對具體需求的用戶IP 核，并生成對應(yīng)API 供開發(fā)使用，從而匹配現(xiàn)有設(shè)備及用戶需求。對于行業(yè)服務(wù)廠商，其部分服務(wù)方式也可由傳統(tǒng)提供繁復(fù)的硬件配套變?yōu)樘峁┚哂凶灾髦R產(chǎn)權(quán)的IP 核。該方式開發(fā)迅速、成本低廉、通用性好、具有自主知識產(chǎn)權(quán)，在老設(shè)備升級方面具有顯著的優(yōu)勢。同樣也會為新設(shè)備功能升級提供助力。

2 無線數(shù)傳節(jié)點設(shè)計

無線節(jié)點用于連接紡織機械、監(jiān)測傳感器等設(shè)備，并進行設(shè)備間、設(shè)備到上位機等的無線通信。節(jié)點與設(shè)備間既可通過CAN，RS 485，RS 232 等數(shù)字總線接口，亦可支持模擬接口、PWM 或用戶自定義的協(xié)議等。其通過偵聽或端接模式獲取設(shè)備的信息。在偵聽模式下，其連接至原有設(shè)備數(shù)據(jù)接口并偵聽設(shè)備數(shù)據(jù)。在不打斷原有設(shè)備通信流程的前提下提取數(shù)據(jù)并發(fā)往目標(biāo)設(shè)備。在端接模式下，節(jié)點與設(shè)備借助總線直接通信或采集設(shè)備輸出等。偵聽模式無需對現(xiàn)有設(shè)備進行更改，可實現(xiàn)即插即用?？偩€端接模式下亦可利用PSoC 內(nèi)部的UDB 模塊適配各種協(xié)議，設(shè)備僅需按照簡單數(shù)據(jù)格式與節(jié)點實現(xiàn)交互，該過程也無需繁雜的工作。節(jié)點還具有同時交互多個設(shè)備的能力。

節(jié)點與上位機之間利用LoRa 無線傳輸，設(shè)備數(shù)據(jù)等使用LoRa 應(yīng)用層Payload 容器承載，該Payload 容器的長度可根據(jù)需求靈活設(shè)置，最大可為128 B。使用中，按照針對具體紡織設(shè)備或傳感器傳輸要求預(yù)先定義的格式將設(shè)備數(shù)據(jù)裝入Payload，并實現(xiàn)針對不同數(shù)據(jù)的承載封裝。Payload 在傳輸時由LoRa 數(shù)據(jù)鏈路層打上節(jié)點標(biāo)識，該標(biāo)識與節(jié)點LoRa 設(shè)備的網(wǎng)內(nèi)ID 相同。上位機與節(jié)點等通過LoRa 節(jié)點標(biāo)識即可實現(xiàn)可靠的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，避免了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)操作。

在具體實現(xiàn)中，節(jié)點圍繞Cypress 公司出品的CY8C3866AXI-040 型PSoC3 芯片設(shè)計，其內(nèi)置工作頻率高達67 MHz的固核高速MCU，內(nèi)部UDB 陣列由24 塊基于PLD的可配置UDB 單元組成。此外，還集成了原生可靈活配置的多功能GPIO 接口、高精度A/D、多種總線模塊等資源，進一步為節(jié)點的功能設(shè)計提供了基礎(chǔ)。LoRa 通信模塊選用基于SX1278的AS32-DTU-1W 型模塊，其工作于具有較好穿透性的433 MHz 頻段，發(fā)射功率可達30 dBm，并具有自動分包傳輸及雙256 環(huán)形FIFO 等易于實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健S32-DTU-1W與節(jié)點通過RS 485 接口連接。節(jié)點供電部分采用隔離型AC-DC 或DC-DC 電源模塊，在獲得較高能量轉(zhuǎn)換效率的同時也較大程度地抑制了外部電磁沖擊。節(jié)點PSoC3 芯片與外部設(shè)備數(shù)據(jù)之間通過隔離型接口模塊進行邏輯電平轉(zhuǎn)換及抑制總線干擾等，此外，在接口電路中還設(shè)置了浪涌抑制器，降低節(jié)點在實際工作中由于雷擊、浪涌、過壓等有害信號造成的風(fēng)險。通過采用上述設(shè)計，節(jié)點可以在十分簡潔的布局結(jié)構(gòu)上取得豐富的功能及伸縮性/適配性，具有較強的抗電磁沖擊能力（隔離2 500 V DC 以上、通流容量為500 A），以及較高的可靠性及較低的成本（單節(jié)點成本低于650 元）。數(shù)傳節(jié)點主板如圖1 所示，數(shù)傳節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。無線數(shù)傳節(jié)點工作流程示意圖見圖3。

圖1 無線數(shù)傳節(jié)點主板Fig.1 Mainboard of wireless data transmission node

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)完成后在河北省石家莊市某印染企業(yè)中進行了測試。該企業(yè)現(xiàn)有染整設(shè)備投產(chǎn)時間跨度從20 世紀(jì)90年代末到2013年，亟需通過信息化建設(shè)整合生產(chǎn)流程。該企業(yè)還有對廠區(qū)環(huán)境因素進行無線監(jiān)測的需求。實施中，無線數(shù)傳節(jié)點被布設(shè)于前處理設(shè)備、染色設(shè)備、后整理設(shè)備等處，用于采集車速、反應(yīng)箱溫度、焙烘溫度、風(fēng)量等，此外，還用于連接廠區(qū)設(shè)備用水及工作廢水的pH 值傳感器、水溫/水量傳感器、車間溫濕度傳感器等。設(shè)備與傳感器的數(shù)據(jù)接口有RS 232、RS 485、脈沖計數(shù)、脈寬輸出、模擬量及用戶自定義協(xié)議格式等多種形式，但是通過PSoC的IP 核設(shè)計，可以較好地在同一硬件結(jié)構(gòu)上承載上述數(shù)據(jù)。實現(xiàn)過程中結(jié)合原生IP 核及針對具體實用開發(fā)的應(yīng)用IP核，并加以封裝。

圖2 無線數(shù)傳節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of wireless data transmission node

如采用數(shù)傳節(jié)點承載部分設(shè)備的RS 232 接口與傳感器模擬接口的設(shè)計中，可復(fù)用PSoC 原生UART IP 核，之后結(jié)合使用Verilog HDL 編寫的數(shù)據(jù)規(guī)格化及接口適配管理IP 核，并進一步將上述整合成面向具體應(yīng)用的專有IP 核（RS 232 數(shù)據(jù)管理IP 核）。這樣在完全不需要改變硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了功能要求，并大大縮減了開發(fā)復(fù)雜度，實現(xiàn)了功能復(fù)用。無線數(shù)傳節(jié)點的IP 核開發(fā)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 無線數(shù)傳節(jié)點工作流程示意圖Fig.3 Workflow diagram of wireless data transmission node

在測試中，車間內(nèi)安裝的數(shù)傳節(jié)點與上位機之間的距離介于20～250 m 范圍內(nèi)；戶外泵房內(nèi)安裝用于傳輸外部水溫/水量監(jiān)測數(shù)據(jù)的節(jié)點與上位機距離約500 m。測試中上位機采用15 dBi的全向玻璃鋼天線。由于LoRa 具有較佳的傳輸效能，泵房節(jié)點及車間內(nèi)大多數(shù)節(jié)點與上位機之間的LoRa 數(shù)據(jù)通信未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況，僅有部分節(jié)點由于信號傳輸過程中需要穿透三七承重墻，由此造成了LoRa 信號的較大衰減。但是由于LoRa的單跳特性利于在類似情況下采用定向天線（LoRa 無需借助鄰居節(jié)點中繼，所以可以通過定向天線集中發(fā)射功率覆蓋上位機接收所在區(qū)域），將節(jié)點原有的3 dBi 天線替換為15 dBi 高增益平板定向天線后解決了這一問題。

圖4 無線數(shù)傳節(jié)點IP核設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of IP core design of wireless data transmission node

在節(jié)點與設(shè)備的連接中，如設(shè)備有較強的帶驅(qū)動能力且協(xié)議允許或節(jié)點輸出的為模擬量，則直接采用偵聽模式。而在其他情況下，通過總線端接模式合理配置節(jié)點IP 核結(jié)構(gòu)中的用戶設(shè)計部分來匹配設(shè)備。具體實現(xiàn)中數(shù)傳節(jié)點與設(shè)備間采用主從問詢模式或自動傳輸。前一種情況下由節(jié)點向設(shè)備發(fā)出問詢指令，并獲得由設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)等，這種方法靈活性較高，適合環(huán)境溫濕度、pH 值等變化較緩的數(shù)據(jù)。后一種情況下，節(jié)點接收設(shè)備按照預(yù)定的數(shù)據(jù)協(xié)議格式發(fā)來的數(shù)據(jù)，這種方法適合跟蹤車速等變化較快的數(shù)據(jù)。在實際工程中發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合PSoC 原生IP 核的開發(fā)方式，上述方法都可避免大量的開發(fā)工作，并兼具極強的靈活性以匹配各種廠區(qū)設(shè)備。

4 結(jié) 論

本文基于LoRa與PSoC 技術(shù)提出了一種適用于紡織企業(yè)信息化升級的無線數(shù)傳節(jié)點。通過該節(jié)點可以構(gòu)筑由設(shè)備間、設(shè)備與上位機間可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)傳節(jié)點基于LoRa 技術(shù)進行設(shè)備間、設(shè)備上位機之間的通信，由此具有傳輸效果好、網(wǎng)絡(luò)拓撲簡潔、維護及擴充方便等顯著優(yōu)點。而基于PSoC的IP 核開發(fā)使節(jié)點在面向不同設(shè)備及應(yīng)用中可以較為靈活地適配設(shè)備接口、優(yōu)化功能、縮短開發(fā)周期等，尤其適用于一些紡織企業(yè)中大量不同型號老設(shè)備共存升級時的情況。本文提出的無線數(shù)傳節(jié)點有望為未來紡織企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備信息化、智慧化升級提供相應(yīng)的技術(shù)手段。

注：本文通訊作者為楊義。