基于Lora技術(shù)的城市供熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨存祿 ，李永強(qiáng)

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省先進(jìn)工業(yè)過程控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué)國家級(jí)電氣與控制工程教學(xué)中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

集中供熱系統(tǒng)存在的問題是大部分系統(tǒng)處于半自動(dòng)化運(yùn)行或人工調(diào)節(jié)狀態(tài)，熱源、供熱管網(wǎng)和換熱站的運(yùn)行數(shù)據(jù)依靠抄表和電話上報(bào)，整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和效率低下且往往伴隨著供熱中斷的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了居民的生活質(zhì)量。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線技術(shù)的快速發(fā)展，人們提出智慧城市概念[3]，城市的集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)也朝著自動(dòng)化、科技化、智能化方向發(fā)展。為了解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)存在的問題與不足，需要采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行改造和提升。勞拉(long rang，Lora)技術(shù)是一種基于線性Chirp擴(kuò)頻調(diào)制和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)的新興廣域網(wǎng)技術(shù)[1]，具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，大大提升了接收端識(shí)別信號(hào)的靈敏度和信噪比(signal to noise ratio,SNR)，保證了信號(hào)傳輸?shù)聂敯粜院涂垢蓴_性。Lora技術(shù)對(duì)建筑物也具有更強(qiáng)的穿透能力，解決了某些地下管網(wǎng)或者地下室因信號(hào)差難以傳輸數(shù)據(jù)的問題。

本文選用Lora低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)和上位機(jī)軟件對(duì)集中供熱系統(tǒng)的熱源、換熱站、管網(wǎng)和熱用戶的主要運(yùn)行參數(shù)、管網(wǎng)信息、設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而優(yōu)化熱源的調(diào)度，保障供熱過程的安全、高效運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

城市供熱監(jiān)控系統(tǒng)總體由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和PC軟件四部分構(gòu)成。Lora模塊與各類傳感器、執(zhí)行器相連，采集供熱一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的壓力、流量、熱水溫度以及泵和閥門運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)微控制單元處理后經(jīng)無線收發(fā)器調(diào)制擴(kuò)頻發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)對(duì)其匯總解調(diào)，并將其上傳給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和上位機(jī)。網(wǎng)關(guān)與終端之間遵循Lorawan協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰(NwkSkey)和應(yīng)用中斷密鑰(AppSkey)來保證數(shù)據(jù)完整性。NwkSkey在終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間共享，用于加密和解密應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及Lora終端F8L10T組成。F8L10T內(nèi)置高性能工業(yè)級(jí)芯片和無線收發(fā)器，支持速率自適應(yīng)(adaptive ddate rate,ADR)算法、多級(jí)休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗、延長電池壽命。模塊提供5路I/O口，將I/O口配置成模擬量輸入，可實(shí)現(xiàn)A/D采集功能。F8L10T作為一種嵌入式無線終端，內(nèi)部結(jié)構(gòu)按模塊可劃分為微處理器、電源管理模塊、射頻模塊、UART轉(zhuǎn)換模塊、內(nèi)存模塊及周邊電路。

2.1.1 電源管理模塊

Lora模塊由于使用較低的發(fā)射速率和定時(shí)喚醒模式，具有很低的功耗?？紤]到本文供熱系統(tǒng)中的Lora設(shè)備要大多放在無法插座供電的供熱設(shè)備上，因而系統(tǒng)采用9 V的鋰電池對(duì)其供電。模塊芯片工作電壓為3.3 V。為確保電源供電穩(wěn)定、可靠且無噪聲，在電源的輸入端設(shè)計(jì)了一個(gè)線性穩(wěn)壓器。它采用AP2139AK-3.3TRG1貼片，具有輸出電壓穩(wěn)定、低輸出波紋、低噪聲的特點(diǎn)。降壓電路如圖2所示。

圖2 降壓電路

2.1.2 射頻模塊

射頻模塊采用CMT2380F32超低功耗射頻收發(fā)器，使用擴(kuò)頻調(diào)制和前向糾錯(cuò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的頻移鍵控(frequency shift keying,FSK)、開關(guān)鍵控(on off keying，OOK)調(diào)制技術(shù)相比，Lora擴(kuò)大了無線通信鏈路的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線傳輸，提高了鏈路的魯棒性。CMT2380F32支持高達(dá)+20 dBm的發(fā)射功率及-121 dBm的接收靈敏度，集成了豐富的外設(shè)，支持標(biāo)準(zhǔn)的UART、I2C和SPI接口，并支持多種數(shù)據(jù)包格式和編解碼方式、至多64位 Tx/Rx FIFO及高精度RSSI和多通道輸入12位ADC等。射頻模塊如圖3所示。

圖3 射頻模塊

圖3中，AS179為射頻開關(guān)。當(dāng)管腳A使能高電平、管腳B使能低電平時(shí)，RF2打開進(jìn)入接收模式，天線感應(yīng)進(jìn)來的射頻信號(hào)。經(jīng)π型電路處理以后，通過正交混頻電路變頻至中頻，由鏡像抑制濾波器濾波，限幅放大器進(jìn)一步放大后送入數(shù)字域作數(shù)字解調(diào)處理。當(dāng)電平B高A低時(shí)，調(diào)制數(shù)據(jù)由一個(gè)高效的單端功率放大器通過RFO管腳發(fā)射。輸出功率可以通過寄存器讀寫。

2.1.3 硬件復(fù)位

MCU控制三極管復(fù)位電路如圖4所示。

圖4 MCU控制三極管復(fù)位電路

由于工作環(huán)境復(fù)雜、工作時(shí)間長，模塊存在死機(jī)、假連接等異常狀況。出現(xiàn)異常時(shí)如何自動(dòng)恢復(fù)，在設(shè)計(jì)模塊時(shí)必須充分考慮。F8L10T默認(rèn)上電立即啟動(dòng)，沒有開機(jī)和關(guān)機(jī)引腳，但是提供一個(gè)硬件復(fù)位管腳，數(shù)字輸入，低電平有效。由于模塊采用鋰電池供電，所以系統(tǒng)采用MCU控制RESET腳(復(fù)位)為低電平200 ms，使模塊硬復(fù)位，類似于處理器硬復(fù)位。

2.2 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)選用內(nèi)置32位CPU系統(tǒng)和Lora通信模塊的F8926-L物聯(lián)網(wǎng)無線通信路由器。該網(wǎng)關(guān)配置有以太網(wǎng)接口模塊、交換機(jī)模塊、WiFi模塊以及蜂窩無線模塊，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。F8926-L網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)接收靈敏度可達(dá)到-140 dBm，無論發(fā)射端是否使用同一頻率發(fā)射數(shù)據(jù)，只要不同的終端使用不同的擴(kuò)頻碼，網(wǎng)關(guān)便可輕易識(shí)別，從而保證數(shù)據(jù)接收不收影響。這使得F8926-L網(wǎng)關(guān)具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，滿足了供熱管網(wǎng)覆蓋面積廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定位

系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)要寫入數(shù)據(jù)庫中，因此要收集節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。本文先運(yùn)用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)測(cè)距原理測(cè)量建立信號(hào)衰減模型[2-7]，進(jìn)而測(cè)量節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)距離，再運(yùn)用三邊定位法對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行定位。RSSI算法是運(yùn)用傳輸損耗來進(jìn)行測(cè)距的，傳輸損耗的計(jì)算是通過對(duì)發(fā)送功率和接收功率進(jìn)行測(cè)量后進(jìn)行計(jì)算的。該算法的優(yōu)勢(shì)在于不需要安裝額外的設(shè)備，成本小且容易實(shí)現(xiàn)。另外，Lora技術(shù)抗干擾能力及物體穿透力較強(qiáng)，信號(hào)傳播中受多徑反射的影響較小，測(cè)量的結(jié)果誤差相對(duì)較小，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。RSSI信號(hào)衰減模型為：

RSSI=A-10ηlog(d)+v

(1)

式中：A為常數(shù)；η為路徑損耗指數(shù)；d為發(fā)送端與接收端的距離；v為環(huán)境噪聲，其通常為均值為0的高斯分布隨機(jī)變量。

RSSI值距離擬合曲線如圖5所示。

圖5 RSSI值距離擬合曲線

以蘭州理工大學(xué)為例，本文設(shè)定電信大樓C513為基點(diǎn)，初始坐標(biāo)為(0,0,20)，每隔20 m測(cè)量多個(gè)不同位置的RSSI值，通過求取其加權(quán)平均值抵消到環(huán)境噪聲的影響。RSSI值的測(cè)量要將F8L10T模塊轉(zhuǎn)換到AT模式并顯示其信號(hào)強(qiáng)度值，通過串口工具下發(fā)相同的數(shù)據(jù)包便可得其信號(hào)衰減值。上位機(jī)與終端距離在20 m之內(nèi)時(shí)，RSSI值達(dá)到峰值117，隨后隨著距離的增大，RSSI值呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)型衰減。當(dāng)距離值超過700時(shí)，RSSI值維持在50而不隨距離增大而改變。

通過RSSI測(cè)量值散點(diǎn)圖，運(yùn)用最小二乘法擬合信號(hào)衰減模型距離曲線作為校園環(huán)境信號(hào)衰減模型:

RSSI=115-2.261log(d)

(2)

運(yùn)用均值RSSI數(shù)值測(cè)量信號(hào)距離的公式為：

(3)

根據(jù)三邊定位法，待定位節(jié)點(diǎn)收到三個(gè)不同的已知坐標(biāo)的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同數(shù)據(jù)包，測(cè)得其接收端RSSI值。根據(jù)信號(hào)衰減模型測(cè)出距離，接著運(yùn)用三邊定位法計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。待測(cè)節(jié)點(diǎn)與3個(gè)已知錨節(jié)點(diǎn)的未知關(guān)系如式(4)所示：

(4)

式中：(X,Y,Z)為待測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；(X1,Y2,Z3)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)分別為3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

化簡后，轉(zhuǎn)換為矩陣形式：

QX=B

(5)

式中：Q為3×3維矩陣；X為坐標(biāo)向量;B為3維向量。

(6)

X=[XYZ]T

(7)

(8)

則待測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)X=Q-1B。

3.2 定時(shí)激活模式

無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用采用低功耗操作模式，即空中喚醒模式：即使節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要工作時(shí)，也可以通過無線方式直接喚醒該節(jié)點(diǎn)?？罩袉拘训幕驹硎牵簡拘寻l(fā)起端在有效數(shù)據(jù)前頭加一段較長的前導(dǎo)碼，待喚醒端的無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性喚醒，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。一旦捕捉到前導(dǎo)碼就進(jìn)入正常的接收流程，若沒有則立即休眠，等待下一次喚醒。定時(shí)激活模式如圖6所示。

圖6 定時(shí)激活模式

數(shù)據(jù)交互流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)交互流程圖

由于終端和網(wǎng)關(guān)共享32個(gè)信道，且均遵循Lorawan協(xié)議，所以終端通信模塊與網(wǎng)關(guān)通信模塊設(shè)計(jì)近似。這就為定時(shí)手法收發(fā)提供了硬件基礎(chǔ)。網(wǎng)關(guān)周期性發(fā)送前導(dǎo)碼，終端周期性地打開接收窗口，監(jiān)聽到前導(dǎo)碼后，解析下行鏈路幀地址與終端設(shè)備地址是否匹配、有效信息是否完整，確定無誤后開始信道檢查、發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)中樞的功能，將終端發(fā)送的數(shù)據(jù)打包封裝傳輸給上位機(jī)監(jiān)控軟件反映終端管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，并將其傳輸?shù)皆品?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。管理人員根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行反饋操作，下發(fā)的數(shù)據(jù)包由網(wǎng)關(guān)解析為感知層協(xié)議能夠識(shí)別的控制指令再下發(fā)給終端，完成一次完整的數(shù)據(jù)交互。

3.3 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)和主機(jī)通過RS-485相連，網(wǎng)關(guān)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)，并通過RS-485串行總線實(shí)時(shí)發(fā)給主控機(jī)。上位機(jī)程序收集供熱系統(tǒng)溫度、流量、壓力等信息，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。在監(jiān)控界面，可以實(shí)現(xiàn)歷史曲線、報(bào)表查詢、報(bào)警顯示等功能。一旦某項(xiàng)數(shù)據(jù)超出閾值，上位機(jī)程序會(huì)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警，并以短信等方式通知管理人員，以便管理人員實(shí)時(shí)作出決策，調(diào)度人力物力及時(shí)排除故障，防止意外事故的發(fā)生。

4 系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行

考慮到溫度、壓力、流量等采集信號(hào)均為低頻信號(hào)且Lora模塊模擬量采集口均接收0～5 V的電壓信號(hào)，本文利用正弦波波表采用單片機(jī)控制程序來控制PCF8591芯片，使其輸出一個(gè)正弦波來模擬采集信號(hào)。PCF8591是一個(gè)單電源。低功耗的8位CMOS數(shù)據(jù)采集元件， AIN0～3為4路模擬量輸入，AOUT用于模擬量輸出，AO、A1、A2用于編程硬件地址，單片機(jī)通過I2C總線發(fā)送3個(gè)字節(jié)與PCF8591進(jìn)行通信。第一個(gè)字節(jié)與EEPROM類似為器件地址字節(jié)，前七位代表地址，最后一位為讀/寫方向。第二個(gè)字節(jié)為控制字節(jié)，用于控制PCF5891的功能，這一字節(jié)第6位為D/A使能位，設(shè)置為1以實(shí)現(xiàn)模擬電壓輸出功能，第4位和第5位可將PCF8591的4路模擬輸入配置為單端模式或差分模式。第三個(gè)字節(jié)為D/A數(shù)據(jù)寄存器字節(jié)，表示模擬輸出的電壓值。由于信號(hào)為低頻信號(hào)，程序源碼中選取了32個(gè)點(diǎn)建立了正弦波表，定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率設(shè)定為1 Hz。核心控制程序如下：

Void main()

{EA=1; ConfigTimer0(1);

pWave=SinWave; SetWaveFreq=(0.03125) }

Void SetDACOut(unsigned char val)

{

I2C Start();

If(!I2C Write(0x48<<1))

{I2C Stop(); return();}

I2C Write(0x40);

I2C Write(val);

I2C Stop();

}

Vref為基準(zhǔn)源，用杜邦線將Vref與外圍J17雙排插針上的+5 V CC短接，可以產(chǎn)生一個(gè)+5 V的基準(zhǔn)電壓，再將AOUT端口和GND插針分別接在F8L10T的I/O口和GND口便可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。報(bào)警表示當(dāng)系統(tǒng)中某些量的值超過所規(guī)定的臨界值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)的警告信息，表明數(shù)量值已超限值，提醒操作人員。由于溫度、壓力和流量均為同一種類型的信號(hào)，測(cè)試過程中僅建立一個(gè)iotest的數(shù)據(jù)庫變量便可驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，運(yùn)用單片機(jī)供給采集終端連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)庫變量iotest的報(bào)警上限值設(shè)為4.2 V，下限值設(shè)為1 V。經(jīng)測(cè)試，上位機(jī)監(jiān)控界面運(yùn)行日志中能夠?qū)崟r(shí)顯示終端設(shè)備信息、系統(tǒng)工作模式及網(wǎng)絡(luò)連接狀況。當(dāng)終端采集值超出報(bào)警閾值區(qū)間時(shí)，報(bào)警窗口事項(xiàng)閃爍顯示并且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。云端數(shù)據(jù)庫可有效調(diào)用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及歷史曲線，運(yùn)用Android客戶端也可訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器監(jiān)測(cè)供熱官網(wǎng)運(yùn)行狀況。測(cè)試證明，該系統(tǒng)不僅可以有效地采集電壓信號(hào)并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能[8-10]，而且能夠正常存儲(chǔ)和調(diào)離數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于Lora技術(shù)的城市供熱監(jiān)控系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件選擇、軟件開發(fā)及系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試4個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合闡述。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)滲透力差和丟包率較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供熱系統(tǒng)溫度、流量、壓力參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警功能。系統(tǒng)對(duì)于合理調(diào)度熱力資源、節(jié)能減排具有重要意義。