基于LORA物聯(lián)網(wǎng)的人防工程三防控制系統(tǒng)

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

人防工程三防控制系統(tǒng)的基本功能是在戰(zhàn)時(shí)遭受核生化襲擊情況下，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)清潔式通風(fēng)、濾毒式通風(fēng)和隔絕式通風(fēng)之間的轉(zhuǎn)換，是確保整個(gè)人防工程內(nèi)部人員安全的核心系統(tǒng)[1-2]。

但目前主要實(shí)現(xiàn)方式都是將遠(yuǎn)端待控設(shè)備通過PLC與監(jiān)控主機(jī)相連，需要布設(shè)通信和控制電纜，這樣不僅需要在防護(hù)墻上留有洞孔，影響墻體隔絕性能，還會(huì)帶來線路本身就有的高成本、高維護(hù)等問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了低功耗廣域網(wǎng)(即LPWAN)，可最大程度地實(shí)現(xiàn)更長距離無線通信與更低功耗。同時(shí)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)關(guān)可以接入大量傳感器與控制器節(jié)點(diǎn)，極大地降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。

綜上，研究探討基于LORA物聯(lián)網(wǎng)的人防工程三防控制系統(tǒng)是非常有意義的。為此，運(yùn)用LORA技術(shù)搭建了整套三防控制系統(tǒng)，并不斷開展研究探索。本文是由架構(gòu)到實(shí)際系統(tǒng)搭建過程的介紹，在給出三防轉(zhuǎn)換總體架構(gòu)和技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)的案例介紹了基于LORA無線網(wǎng)絡(luò)三防控制系統(tǒng)的主要功能和工程應(yīng)用方法。

1 LORA物聯(lián)網(wǎng)概述

LORA是一種基于擴(kuò)頻的低功耗長距離無線通信技術(shù)，處在GHz級(jí)以下的頻段，使其更易以很低功耗遠(yuǎn)距離通信。除低功耗之外，LORA采用的433 MHz頻帶接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，相比于其他Sub-GHz技術(shù)，接收靈敏度提高了20 dBm以上，覆蓋范圍在空曠地區(qū)可達(dá)15 km以上。由于節(jié)點(diǎn)的超低功耗，同等條件下，電池供電時(shí)壽命是其他低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的3～5倍，使其可選多種供電方式，并可靈活安裝調(diào)試[3]。

LORA信號(hào)對(duì)建筑的穿透力很強(qiáng)，尤其是它的Chirp擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在延續(xù)移頻鍵控調(diào)制的低功耗特性上，增大了通信范圍和抗干擾性，使用不同擴(kuò)頻因子的終端設(shè)備即使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)產(chǎn)生干擾，被廣泛應(yīng)用于軍事和航天通信。綜上， LORA是實(shí)現(xiàn)三防轉(zhuǎn)換控制可行的技術(shù)手段。

作為同時(shí)發(fā)展起來的另一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，NBIoT同樣支持待機(jī)時(shí)間長、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。NBIoT基于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等3種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。而LORA使用的是非授權(quán)頻段，支持自行組建網(wǎng)絡(luò)，對(duì)安全信息有更好的保護(hù)。所以，針對(duì)保密性要求高的地下人防工程，采用LORA組網(wǎng)技術(shù)是更好的選擇[4]。

2 基于LORA物聯(lián)網(wǎng)的人防工程三防控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

人防工程三防控制系統(tǒng)需要快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)清潔、濾毒、隔絕三種通風(fēng)方式的轉(zhuǎn)換控制。如果新建工程直接采用LORA三防控制系統(tǒng)，可以節(jié)省大量時(shí)間和資金。由于舍掉了部分線纜的鋪設(shè)，相比老式工程，穩(wěn)固性也有所提升。所以，需要一套完整的架構(gòu)體系，適用于完全以LORA控制為核心建設(shè)的新人防工程。

基于LORA的人防工程三防控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括LORA監(jiān)測與控制終端節(jié)點(diǎn)，用于遠(yuǎn)程控制設(shè)備以及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)通過LORA網(wǎng)絡(luò)匯總到網(wǎng)關(guān)后，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)WiFi網(wǎng)絡(luò)傳至上位監(jiān)控主機(jī)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和三防轉(zhuǎn)換控制。因?yàn)楣こ虊w厚重，對(duì)LORA信號(hào)影響很大，加上工程本身的不規(guī)則性，很多時(shí)候需要布置多個(gè)網(wǎng)關(guān)，采用輪流查詢的方式進(jìn)行主從通信以提高控制的可靠性，并選擇WiFi連接到監(jiān)控主機(jī)，可以節(jié)省主機(jī)接口。LORA/WiFi網(wǎng)關(guān)作為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層之間的核心部分，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳輸。

以上基于LORA物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)于現(xiàn)有的人防工程，可以兼顧以前的線纜連接和 WiFi連接，更快地對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，一邊應(yīng)用一邊進(jìn)行LORA物聯(lián)網(wǎng)改造，減少了改造過程中對(duì)三防系統(tǒng)運(yùn)行的影響。對(duì)于新建工程，可以實(shí)現(xiàn)完全以LORA為主的三防控制系統(tǒng)。

圖1 基于LORA物聯(lián)網(wǎng)的三防控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 LORA現(xiàn)場測控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了簡化節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，并保證溫濕度在線檢測的快速與準(zhǔn)確，選用智能數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，它的測量精度高，濕度精度可達(dá)3%，溫度精度可達(dá)0.4 ℃。傳感器通過了AEQ100 溫度等級(jí)2的標(biāo)準(zhǔn)測試，且性能穩(wěn)定。

該傳感器與微處理器采用I2C通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸僅需兩根線，占用CPU端口少，這樣可以使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常簡潔。LORA通信模塊內(nèi)置了STM32L151CB微處理器,使得溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)大為簡化,節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)的的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的主要功能是監(jiān)測人防工程中風(fēng)機(jī)、閥門等設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，控制這些設(shè)備的啟動(dòng)停止等。由于測控節(jié)點(diǎn)與斷路器等強(qiáng)電設(shè)備安裝在同一個(gè)控制箱中，通信模塊等電子電路應(yīng)采取防電磁干擾措施，以提高設(shè)備監(jiān)測控制的可靠性。

圖3 設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)圖

所以，測量和控制信號(hào)的輸入輸出采用光耦進(jìn)行隔離，可避免強(qiáng)電回路的電磁干擾對(duì)敏感的監(jiān)測控制電路的影響，以提高系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的可靠性。

LORA通信模塊可以有不同的工作模式，平時(shí)可選用A類終端設(shè)備通信，降低功耗，而在戰(zhàn)時(shí)可切換到C類終端設(shè)備通信，連續(xù)地打開接收窗口，僅在發(fā)送時(shí)關(guān)閉。所以 C類的功耗要高于A類，但C類更利于實(shí)時(shí)控制。

設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示，啟動(dòng)模塊為程序的入口，下面4個(gè)函數(shù)并列為底層實(shí)現(xiàn)部分，主要包括節(jié)點(diǎn)初始化、輸入通道狀態(tài)讀取及控制命令輸出處理、LORA網(wǎng)絡(luò)通信命令處理等模塊。

圖4 設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)框圖

3.3 網(wǎng)關(guān)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下行連接溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)，接收人防地下工程的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，上行通過UART串口連接上位機(jī)軟件，上傳接收到的溫濕度數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，作為LORA網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)軟件之間的通信網(wǎng)關(guān)。

其總體設(shè)計(jì)如圖5所示，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)LORA通信模塊作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，控制部分采用低功耗的STM32L151CB芯片，射頻部分采用Semtech公司的SX1278芯片，控制芯片通過AT指令可以對(duì)LORA通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[5]。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例

下面介紹采用所研制的LORA測控節(jié)點(diǎn)構(gòu)建三防控制系統(tǒng)的實(shí)例，該實(shí)例實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的三防控制系統(tǒng)功能，以對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的通信及測控功能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也對(duì)基于LORA無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)三防控制進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)例系統(tǒng)的組成如圖1所示，包括上位監(jiān)控主機(jī)、LORA測控節(jié)點(diǎn)，主機(jī)和LORA測控節(jié)點(diǎn)之間通過一個(gè)LORA網(wǎng)關(guān)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

4.1 現(xiàn)場測控節(jié)點(diǎn)通信

實(shí)際的三防控制系統(tǒng)都包括多個(gè)溫濕度和設(shè)備測控節(jié)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場測控節(jié)點(diǎn)之間的通信，需要設(shè)計(jì)一個(gè)通信協(xié)議。為了簡化協(xié)議實(shí)現(xiàn)，并便于與上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行通信，采用了工業(yè)控制系統(tǒng)中最常用的Modbus-RTU協(xié)議[6-7]。在本實(shí)例系統(tǒng)中，LORA網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為Modbus通信的主節(jié)點(diǎn)(主站)，現(xiàn)場的LORA測控節(jié)點(diǎn)作為從站。在系統(tǒng)運(yùn)行中，監(jiān)控主機(jī)通過主節(jié)點(diǎn)給現(xiàn)場的從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集或設(shè)備控制命令。

現(xiàn)場的LORA節(jié)點(diǎn)通過LORA網(wǎng)絡(luò)接收到相關(guān)命令后，執(zhí)行數(shù)據(jù)或設(shè)備控制命令，是采集或從發(fā)起數(shù)據(jù)采集或設(shè)備控制通信，并將執(zhí)行結(jié)果通過LORA網(wǎng)絡(luò)返回給監(jiān)控主機(jī)。

4.2 LORA網(wǎng)絡(luò)與WinCC接口

本實(shí)例采用WinCC作為上位機(jī)組態(tài)軟件，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面和監(jiān)測、控制功能。為了實(shí)現(xiàn)WinCC與LORA節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信，采用KEPServer作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和控制OPC服務(wù)器，并作為監(jiān)控主機(jī)和LORA網(wǎng)絡(luò)的軟件通信網(wǎng)關(guān)。WinCC支持OPC協(xié)議，可以直接和KEPServer進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[8]。

KEPServer中建立輸入型變量來保存現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立輸出型變量保存需要發(fā)送的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的控制命令。

圖6為OPC服務(wù)器上所建立的部分變量，其中包括Boolean型變量和Word型變量，前者負(fù)責(zé)傳送設(shè)備狀態(tài)和控制指令數(shù)據(jù)，后者負(fù)責(zé)傳送溫濕度數(shù)據(jù)。

圖6 部分OPC服務(wù)器變量示例

4.3 實(shí)例系統(tǒng)的功能

上位機(jī)軟件需要具有用戶管理、操作記錄查詢、三防轉(zhuǎn)換控制、參數(shù)監(jiān)測以及警報(bào)系統(tǒng)等功能，具體功能架構(gòu)如圖7所示。

其中，用戶管理系統(tǒng)分為管理員操作和用戶登錄兩個(gè)部分，管理員擁有整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的最高權(quán)限，可以設(shè)置用戶和調(diào)試系統(tǒng)功能，普通用戶擁有三防轉(zhuǎn)換控制權(quán)限、監(jiān)控權(quán)限和警報(bào)解除權(quán)限。

圖7 人防監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)

考慮到工控人員的交接班和日志管理問題，需要有操作記錄查詢功能，以便于在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行期內(nèi)，協(xié)調(diào)各操作員的工作。

三防轉(zhuǎn)換控制按照人民防空地下室設(shè)計(jì)要求，分為清潔式通風(fēng)、濾毒式通風(fēng)和隔絕式通風(fēng)，在需要的時(shí)候能夠可靠快速地轉(zhuǎn)換，3種通風(fēng)方式轉(zhuǎn)換控制畫面如圖8所示。

圖8 三防轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)組態(tài)畫面

參數(shù)監(jiān)測包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，其中環(huán)境參數(shù)主要為溫度和濕度，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)包括過載、故障等。圖9為溫濕度實(shí)時(shí)曲線圖畫面。除上述系統(tǒng)外，在檢測到設(shè)備和環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)應(yīng)及時(shí)發(fā)出通知給值班人員，加快故障清除速度，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并保存報(bào)警記錄，以備分析。

圖9 溫濕度實(shí)時(shí)曲線

5 結(jié)束語

實(shí)例系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行測試結(jié)果表明，基于LORA物聯(lián)網(wǎng)的人防工程三防控制系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)三防轉(zhuǎn)換和環(huán)境參數(shù)監(jiān)控功能。在經(jīng)濟(jì)性上，LORA互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)卓越的穿透能力和很高的靈敏度，極大地方便了系統(tǒng)的布設(shè)，降低了線纜鋪設(shè)與維護(hù)管理費(fèi)用。綜合展望，LORA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以很好地應(yīng)用于人防工程的智能化改造。