基于Lora技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦利強(qiáng) 王波 張自強(qiáng) 馬海淞

摘 要 Lora技術(shù)由Semtech公司創(chuàng)建，被Semtech公司解釋為物聯(lián)網(wǎng)的DNA，是一種遠(yuǎn)距離，低功耗的無線標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)以低速率，和遠(yuǎn)距離，低成本的特點(diǎn)，被人們廣泛運(yùn)用于儀器儀表等非實(shí)時(shí)通訊場合。本文主要介紹一種將Lora技術(shù)用于生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞 設(shè)備聯(lián)網(wǎng);Lora;信息化

項(xiàng)目背景目前園區(qū)大概有200余臺的設(shè)備，每臺設(shè)備的購置成本都很高。綜合計(jì)算下來，機(jī)器人成本在千萬級別。如果不合理利用，極容易提高成本。欲通過計(jì)算機(jī)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)施監(jiān)控，促進(jìn)管理提升，通過合理調(diào)度，做到提高資產(chǎn)利用率，減少成本浪費(fèi)。

由于現(xiàn)場經(jīng)常會做工藝改善，導(dǎo)致現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備具有一定流動(dòng)性，如果采用有線連接，會由于設(shè)備遷移而破壞線纜，導(dǎo)致浪費(fèi)。故本次選擇無線方案。根據(jù)用戶對設(shè)備狀態(tài)的需求調(diào)研，對實(shí)時(shí)性的要求分析。Lora技術(shù)可以通過一定架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)。

1項(xiàng)目目的

以較低成本，高靈活性實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的采集。

2項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目硬件架構(gòu)

該架構(gòu)分為現(xiàn)場層和應(yīng)用層兩部分。其中現(xiàn)場層中，只需在某區(qū)域部署一個(gè)網(wǎng)關(guān)，即可于多臺設(shè)備建立數(shù)據(jù)連接。

由于邊緣計(jì)算模塊與設(shè)備側(cè)傳感器一對一對應(yīng)，通過模擬量傳輸，可確保設(shè)備狀態(tài)信息的不丟失。

網(wǎng)關(guān)模塊按照順序與邊緣模塊建立通訊，采集各統(tǒng)計(jì)信息，并形成了緩存。設(shè)計(jì)上確保信息實(shí)時(shí)可讀。

計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)訪問網(wǎng)關(guān)模塊緩存，確保了信息的連續(xù)性。

2.2 架構(gòu)模塊介紹

設(shè)備： 生產(chǎn)設(shè)備。

邊緣計(jì)算模塊： 包含模擬量輸入，AD變換，計(jì)算模塊，通訊模塊等。用于與設(shè)備傳感器實(shí)時(shí)通訊，并做基本的數(shù)據(jù)處理;通過UART口與Lora模塊連接與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通訊模塊： 此處為獨(dú)立的Lora模塊，把邊緣模塊通信信息調(diào)制為低頻電磁波信號。再接收端，通信模塊解調(diào)信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳入網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)模塊：負(fù)責(zé)對各邊緣計(jì)算進(jìn)行點(diǎn)名，查詢狀態(tài)信息，并將各邊緣模塊信息存儲在本地，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)接口連接園區(qū)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與采集服務(wù)的數(shù)據(jù)連接。

采集服務(wù)：采集軟件通過可靠的有線通訊方式，此處為以太網(wǎng)，與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。查詢網(wǎng)關(guān)各邊緣計(jì)算模塊的緩存數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫[1]。

數(shù)據(jù)庫：用于存儲采集的數(shù)據(jù)。

2.3 Lora信道設(shè)計(jì)

工程所用Lora模塊為格力能環(huán)院自產(chǎn)的COM09.經(jīng)咨詢技術(shù)支持和驗(yàn)證測試，如果保證不干擾，所設(shè)計(jì)信道相鄰中心頻率距離應(yīng)不小于750Khz，Lora模塊頻率支持范圍為470～510Mhz。為了避免與其他設(shè)備的中心頻率干擾，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量和現(xiàn)場復(fù)雜度等因素考慮，設(shè)計(jì)如下：

設(shè)置頻率為起始頻率。公式為max（上一個(gè)車間的起始頻率+冗余空間*0.8，上一個(gè)車間的起始頻率+1）。

冗余空間以供后期擴(kuò)展或硬件升級使用。

設(shè)計(jì)信道考慮如下因素：

（1） 盡量少的無線信道占用。無線信道為有限資源，邊緣模塊為設(shè)備專用，網(wǎng)關(guān)也為項(xiàng)目專用，相對占用較多。這里盡量把信道集中，以減少信道占用。

（2） 盡量多的冗余信道空間，后期根據(jù)對設(shè)備的推廣，性能和效率的提高可進(jìn)行再規(guī)劃。

（3） 頻率復(fù)用，由于電磁波在室內(nèi)衰減較快，兩個(gè)不相鄰車間可用相同頻率?？芍苯佑糜诔跏荚O(shè)計(jì)，和后期推廣設(shè)計(jì)。

2.4 網(wǎng)關(guān)配置

網(wǎng)關(guān)內(nèi)配置各邊緣模塊地址，通過各地址，實(shí)現(xiàn)與邊緣模塊的數(shù)據(jù)查詢，并存儲。

2.5 硬件架構(gòu)性能評估

項(xiàng)目所用模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)查詢大概耗時(shí)穩(wěn)定在1.7秒到1.8秒，超時(shí)時(shí)間設(shè)置為3秒。可通過計(jì)算得知，如果某網(wǎng)關(guān)下配置10個(gè)邊緣模塊，點(diǎn)名周期為30秒。50個(gè)邊緣模塊，即為150秒，約2.5分鐘。及網(wǎng)關(guān)內(nèi)的緩存延時(shí)為2.5分鐘左右。

重點(diǎn)事項(xiàng)提示：

利用無線信道進(jìn)行通訊，最大的問題就是信道如何設(shè)計(jì)，確保工程項(xiàng)目的成功。既要保證占用盡量少的信道，又要保證留足盡量多的冗余，以確保項(xiàng)目的可推廣性及可用性。

2.6 采集軟件的實(shí)現(xiàn)

設(shè)備采集軟件用于和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊，采用應(yīng)答模式，根據(jù)設(shè)備映射地址讀取設(shè)備信息。

設(shè)備查詢模塊核心解析代碼：

本代碼采用python的struct模塊進(jìn)行解析數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備能源數(shù)據(jù)解析[2]。

3項(xiàng)目總結(jié)

（1）240臺的設(shè)備的狀態(tài)采集，存儲于數(shù)據(jù)庫，用于后期的狀態(tài)分析。

（2）由于采用了無線傳輸，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)采集的靈活性。當(dāng)設(shè)備在區(qū)域內(nèi)遷移，不需要做任何配置變動(dòng)，如果區(qū)域變動(dòng)，只需配置相應(yīng)的地址即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)恢復(fù)。

（3）由于Lora技術(shù)的低成本使用，及省去了網(wǎng)線的布設(shè)，成本相對較低。

參考文獻(xiàn)

[1] 閆寧，楊磊.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT和LoRa的技術(shù)分析[J].中國新通信，2019（9）：58-59.

[2] Mark Lutz著，李軍，劉紅偉，等譯. Python學(xué)習(xí)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：119.

作者簡介

焦利強(qiáng)（1984-），男，河南?？h人;畢業(yè)院校：河南大學(xué)，專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

王波（1984-），男，河南開封人;畢業(yè)院校：北京航空航天大學(xué)北海學(xué)院，專業(yè)：軟件工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

張自強(qiáng)（1984-），男，河南開封人;畢業(yè)院校：北華大學(xué)，專業(yè)：自動(dòng)化，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

馬海淞（1989-），男，河南項(xiàng)城人;畢業(yè)院校：安陽工學(xué)院，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。