基于LoRa技術(shù)的礦用無(wú)線復(fù)合傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛光輝，趙 賀，孫宗正

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

由于礦用機(jī)械設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，受設(shè)備老化、操作不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊?，?jīng)常出現(xiàn)機(jī)械故障，為監(jiān)控管理礦用機(jī)械設(shè)備和對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，需要采集設(shè)備的振動(dòng)和溫度信號(hào)并傳輸給上位機(jī)分析以便實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[1-3]。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻完善，設(shè)備狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越得到重視。

現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用ZigBee[4]、WiFi[5]等通信技術(shù)。薛光輝等人[6]研制了基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效通信距離18m。杜巖等人[7]研制了基于WiFi技術(shù)的礦用設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，WiFi信號(hào)存在功耗高、信號(hào)抗干擾能力差等問(wèn)題。

近年來(lái)，超長(zhǎng)距低功耗傳輸技術(shù)LoRa(Long Rang)技術(shù)發(fā)展迅速，空曠條件下通信距離10km，接收靈敏度可達(dá)-148dBm，功耗極低[8]，采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，在智慧城市[9]、智慧電網(wǎng)[10]、智慧農(nóng)場(chǎng)[11]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在礦用方面，霍振龍[12]研究了LoRa技術(shù)在礦井無(wú)線通信中的應(yīng)用，提出了LoRa技術(shù)在礦井中的應(yīng)用場(chǎng)合。張新[13]分析了LoRa技術(shù)的幾種應(yīng)用模式，針對(duì)煤礦實(shí)際場(chǎng)景，探討了幾類具體應(yīng)用。因此，提出將LoRa技術(shù)應(yīng)用到礦用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以解決現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題[14，15]。

本文提出并設(shè)計(jì)了一款基于LoRa技術(shù)的礦用無(wú)線復(fù)合傳感器，可與LoRa網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成礦用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足。

1 方案設(shè)計(jì)

基于LoRa技術(shù)的礦用無(wú)線復(fù)合傳感器具有以下特點(diǎn)：

1)振動(dòng)信號(hào)采集功能，靈敏度4mV/g，量程±2g，±4g，±8g，±16g可編程。

2)溫度信號(hào)采集功能，測(cè)溫范圍：-40.0℃～+125℃，測(cè)量精度：0.5℃。

3)數(shù)據(jù)計(jì)算功能，能夠計(jì)算設(shè)備振動(dòng)的時(shí)域指標(biāo)。

4)數(shù)據(jù)上傳功能，能夠?qū)⒉杉脑O(shè)備振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸給服務(wù)器。

5)通信質(zhì)量良好(丟包率低于10%)的前提下，無(wú)線傳輸距離不小于600m。

6)鋰電池供電。

無(wú)線復(fù)合傳感器硬件總體構(gòu)架如圖1所示，由傳感模塊、主控模塊、LoRa射頻模塊、電源模塊構(gòu)成。傳感模塊拾取設(shè)備振動(dòng)和溫度信號(hào)，主控模塊完成數(shù)據(jù)處理，射頻模塊完成數(shù)據(jù)發(fā)送，電源模塊為無(wú)線復(fù)合傳感器各個(gè)模塊供電。

圖1 基于LoRa技術(shù)礦用無(wú)線復(fù)合傳感器總體構(gòu)架

2 終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控制器采用STM32F103CBT6，為基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，自帶有128k字節(jié)的閃存，20k字節(jié)的SRAM，工作頻率最高為72MHz，兼?zhèn)涓咝阅?、體積小、低功耗、價(jià)格低廉、IO口多等特點(diǎn)。主控模塊原理如圖2所示，包括主控芯片外圍電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、SWD下載程序接口電路。

圖2 主控模塊原理圖

2.2 傳感模塊

振動(dòng)信號(hào)采用MEMS加速度傳感器ADXL345拾取。ADXL345是數(shù)字輸出3軸加速度傳感器，最大量程可達(dá)±16g，分辨率高(13位)，采用固定的3.93mg/LSB分辨率模式，集成了一個(gè)32級(jí)FIFO緩存器，通過(guò)SPI接口與主控板傳輸數(shù)據(jù)。

溫度傳感器采用數(shù)字輸出的SHT10。SHT10接口簡(jiǎn)單(2-wire)，響應(yīng)速度快，測(cè)溫精度±0.5℃(25℃)，通過(guò)I2C總線與主控板通信。傳感器模塊電路如圖3所示。

圖3 傳感模塊原理圖

為得到準(zhǔn)確的振動(dòng)數(shù)據(jù)，盡量減少主板對(duì)振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，同時(shí)減少設(shè)備振動(dòng)對(duì)主控模塊的影響，將傳感模塊與主板采用分體設(shè)計(jì)。

2.3 LoRa射頻模塊

LoRa射頻模塊采用以SX1278芯片為核心的貼片式無(wú)線收發(fā)板，SX1278是Semtech公司推出的基于線性擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)的半雙工射頻芯片。LoRa射頻模塊通過(guò)UART口與主控芯片通信，主控板通過(guò)操作SX1278的配置寄存器、狀態(tài)寄存器、FIFO緩存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。LoRa射頻模塊電路如圖4所示。

圖4 射頻模塊原理圖

2.4 電源模塊

無(wú)線復(fù)合傳感器采用鋰電池供電，電壓轉(zhuǎn)換芯片采用BL8558-33，此電壓轉(zhuǎn)換芯片最大電流負(fù)載能力500mA，可以將4.3～10V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為無(wú)線復(fù)合傳感器各模塊供電。

3 終端軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、溫度數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送等模塊。

3.1 主程序模塊

主程序模塊采用時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，主要完成時(shí)鐘初始化、外設(shè)初始化、定時(shí)器設(shè)置、任務(wù)調(diào)度等功能。主程序流程如圖5所示。

時(shí)鐘和外設(shè)初始化是在STM32CuBeMX中完成，采用STM32F1內(nèi)部高速時(shí)鐘和內(nèi)部低速時(shí)鐘，外設(shè)初始化配置后生C語(yǔ)言程序，在MDK中完成用戶代碼開發(fā)。

任務(wù)調(diào)度采用基于時(shí)間觸發(fā)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，這是適用于單處理器平臺(tái)的合作式任務(wù)調(diào)度器技術(shù)，為嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活而又可預(yù)測(cè)的軟件平臺(tái)。

圖5 主程序流程圖

調(diào)度器的核心是調(diào)度器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，集中了每個(gè)任務(wù)所需的信息，如任務(wù)指針、任務(wù)首次執(zhí)行時(shí)間、任務(wù)運(yùn)行間隔?！疤砑尤蝿?wù)”函數(shù)把任務(wù)添加到任務(wù)列表，設(shè)置定時(shí)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)任務(wù)調(diào)度器的“時(shí)標(biāo)”，中斷服務(wù)程序由定時(shí)器激活，主函數(shù)是一個(gè)while循環(huán)，循環(huán)啟動(dòng)后，任務(wù)模塊會(huì)按照正確的時(shí)序周期被調(diào)度。

3.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊程序完成的功能有讀取傳感器ID、ADXL345初始化、讀取振動(dòng)加速度數(shù)值、時(shí)域特征值計(jì)算。ADXL345初始化設(shè)置測(cè)量范圍±16g，分辨率13位模式，根據(jù)SPI的通信速率設(shè)定數(shù)據(jù)輸出速率為3200Hz。

為減小數(shù)據(jù)發(fā)送量，只傳輸振動(dòng)數(shù)據(jù)的均值、均方根值、方差、峰值、峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)和裕度指標(biāo)等時(shí)域特征值，不發(fā)送原始數(shù)據(jù)。ADXL345模塊軟件流程如圖6所示。

3.3 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

溫度數(shù)據(jù)采集模塊完成了SHT10初始化、讀取溫度數(shù)據(jù)等功能，根據(jù)IIC通信時(shí)序配置時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。溫度數(shù)據(jù)采集模塊流程如圖7所示。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

此模塊軟件包括LoRa模塊初始化、讀取LoRaWAN版本號(hào)和聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送模式、數(shù)據(jù)組織成UART幀發(fā)送，其中微處理器與LoRa模塊數(shù)據(jù)交互需嚴(yán)格按照幀格式進(jìn)行，數(shù)據(jù)幀有效負(fù)載長(zhǎng)度不得超過(guò)37字節(jié)。LoRa模塊軟件流程如圖8所示。

圖6 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖

圖7 溫度數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖

圖8 LoRa數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程圖

4 性能測(cè)試

4.1 功耗測(cè)試

終端有休眠模式、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送四種工作模式。為測(cè)試各工作模式下設(shè)計(jì)的傳感器的功耗，搭建了功耗測(cè)試系統(tǒng)，如圖9所示。使用直流穩(wěn)壓電源供電，輸出3.3V，為方便測(cè)量工作電流在電路中串聯(lián)2.5Ω電阻，通過(guò)測(cè)量電阻的電壓得到工作電流。

圖9 終端功耗測(cè)試示意圖

在發(fā)射功率17dBm，中心頻率487MHz的條件下，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 終端功耗測(cè)試

4.2 通信距離測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試了終端到網(wǎng)關(guān)從100m到1000m不同距離的丟包率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 通信距離測(cè)試

從表2分析得知在600m以內(nèi)，丟包率在7%以內(nèi)，通信質(zhì)量良好，在600m外丟包率大幅增加，通信質(zhì)量下滑嚴(yán)重。可以認(rèn)為在600m以內(nèi)，采集到的數(shù)據(jù)是有效的。

4.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測(cè)試

為驗(yàn)證采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，搭建了振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。將無(wú)線復(fù)合傳感器終端和標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器同時(shí)放在激振臺(tái)上，振動(dòng)頻率450Hz，標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器與信號(hào)采集儀連接，設(shè)置采集頻率3200Hz，DASP軟件實(shí)時(shí)顯示頻譜圖，如圖11所示。設(shè)定無(wú)線復(fù)合傳感器的采樣頻率為3200Hz，采集的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)并繪制成頻譜圖，如圖12所示。

圖10 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖12 無(wú)線復(fù)合傳感器采集的數(shù)據(jù)時(shí)頻域圖

對(duì)比圖11、圖12可以看出，標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器測(cè)量的信號(hào)主頻為449.99Hz，峰峰值為12.47m/s2。無(wú)線復(fù)合傳感器測(cè)量的信號(hào)主頻為454.1Hz，峰峰值為12.30m/s2，在誤差允許的范圍內(nèi)，可認(rèn)為兩種方式測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)一致，無(wú)線復(fù)合傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

針對(duì)礦用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合LoRa技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款礦用無(wú)線復(fù)合傳感器，可采集礦用設(shè)備的振動(dòng)和溫度信息。本文提出了無(wú)線復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)方案，完成了無(wú)線復(fù)合傳感器硬件和軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)線復(fù)合傳感器功耗較低，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，丟包率低于10%通信距離可達(dá)600m，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。