基于物聯(lián)網(wǎng)的紡織車間監(jiān)測系統(tǒng)

陳 悅，彭天然

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

紡織品會受到環(huán)境溫濕度的影響，其物理特性和機械特性由于溫濕度的改變都將發(fā)生不同程度的改變。根據(jù)紡織車間中所使用的各類生產(chǎn)資料主要情況及特點，需實時測定其溫濕度和其他工作狀態(tài)指標，并進行有效控制。LoRa無線通信技術(shù)具有一系列優(yōu)勢，主要包括：較高的接收靈敏度，使網(wǎng)絡(luò)的可靠性明顯增加；具有比較低的功耗等。本文提出一種以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，充分運用LoRa無線通信技術(shù)的紡織車間監(jiān)測系統(tǒng)，幫助紡織車間實現(xiàn)精準監(jiān)測，使得車間智能化水平大幅提高[1-3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1詳細介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層、傳輸層以及感知層等共同構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在紡織車間中安裝的監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測節(jié)點組成感知層，其主要功能是采集數(shù)據(jù)；由LoRa網(wǎng)關(guān)與中繼器構(gòu)成傳輸層，其主要功能是匯集監(jiān)測點所采集的數(shù)據(jù)和延長數(shù)據(jù)傳輸距離。LoRa網(wǎng)關(guān)相對于藍牙、ZigBee、WiFi等設(shè)備，既可以滿足低功耗的要求，又可以實現(xiàn)遠距離傳輸，綜合性能更優(yōu)。LoRa無線通信可以由LoRa網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成RS 232有線通信，上位機接收傳送的數(shù)據(jù)。由上位機監(jiān)測平臺構(gòu)成應(yīng)用層，利用物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合性處理與人機交互[4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103ZET6單片機可工作于-40～105 ℃的環(huán)境，供電電壓最高僅為3.6 V，功耗低，適用范圍廣。設(shè)計時，監(jiān)測點、中繼器、LoRa網(wǎng)關(guān)采用STM32F103ZET6單片機作為控制芯片，為系統(tǒng)各模塊供電。

2.1 監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點應(yīng)具有采集數(shù)據(jù)信息的能力，根據(jù)圖2可知，環(huán)境監(jiān)測點由按鍵電路、報警電路、LoRa通信模塊、HTU21D溫濕度傳感器以及STM32F103ZET6等組成。溫濕度傳感器HTU21D尺寸小、精度高、功耗低、性價比高，適用于資金受限，但需要大范圍使用溫濕度傳感器的電路[6-7]。

圖2 環(huán)境監(jiān)測點電路

2.2 中繼器設(shè)計

在較大的范圍內(nèi)，中繼器可傳輸所監(jiān)測數(shù)據(jù)至LoRa網(wǎng)關(guān)之中。其主要功能為對數(shù)據(jù)進行中轉(zhuǎn)傳輸，所以設(shè)計2個LoRa模塊，其中之一主要被用來實現(xiàn)中繼器與監(jiān)測點間的相互通信，另一塊主要被用來實現(xiàn)中繼器和LoRa網(wǎng)關(guān)間的相互通信。中繼器通信原理如圖3所示，2個不同的信道里有著互不干擾的2個通信過程，監(jiān)測點和中繼器間的通信通過信道1實現(xiàn)，而信道2則實現(xiàn)了中繼器與LoRa網(wǎng)關(guān)間的通信。采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，保證數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)流暢。

圖3 中繼器通信原理

搭載2塊LoRa通信模塊之后，系統(tǒng)將具有同一時間進行數(shù)據(jù)收發(fā)的相關(guān)功能。此外，數(shù)據(jù)的收及發(fā)通過不同信道來完成，可使數(shù)據(jù)碰撞現(xiàn)象顯著降低，以提高中繼效率。

2.3 LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)計

該部分主要功能是接收不同監(jiān)測節(jié)點上傳的有關(guān)數(shù)據(jù)，再利用串口將數(shù)據(jù)傳至上位機監(jiān)測平臺，為此，需在控制芯片上搭載LoRa模塊。利用MCU和MAX232的通信特性實現(xiàn)PC端上位機監(jiān)測平臺和LoRa網(wǎng)關(guān)間的通信，且需要將數(shù)據(jù)在不同格式之間轉(zhuǎn)換，其功能才會實現(xiàn)。LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)主要部分程序設(shè)計

在軟件及硬件的相互協(xié)作之下，才可實現(xiàn)系統(tǒng)的順利運作。在設(shè)計時，需要考慮具體的功能需求以針對不同的模塊進行設(shè)計，同時也要根據(jù)設(shè)計所需硬件功能的要求對軟件進行分模塊設(shè)計，只有這樣，預(yù)期的功能才會實現(xiàn)，同時系統(tǒng)也具有良好的移植性和擴展性[8-10]。

圖5～圖7分別為監(jiān)測節(jié)點、中繼器、LoRa網(wǎng)關(guān)的主程序流程。

圖5 監(jiān)測節(jié)點主程序流程

圖6 中繼器主程序流程

圖7 LoRa網(wǎng)關(guān)主程序流程

4 結(jié) 語

本文面對紡織車間所需的環(huán)境條件提出問題，分析了相關(guān)因素，設(shè)計了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的紡織車間監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主芯片為STM32F103ZET6，連接按鍵電路、報警電路、紅外收發(fā)電路、溫濕度傳感器和LoRa通信模塊等，具有成本低、功耗低、安裝容易、高效可靠等優(yōu)點。