不同傳輸方式下溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊欽榕，陳萬培，高 紳，張 濤,韓 恒

(揚州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)愈發(fā)普及，智能化的運行與管理[1]給人們帶來了諸多的便利。作為感知層的典型代表之一，傳感器在電力等行業(yè)的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著不可替代的作用。通過在被測量物體上安裝傳感器，感知物體的所處區(qū)域，傳感器可采集所需的信息，獲取相應(yīng)的參數(shù)，并按照傳輸協(xié)議將信息從感知端傳輸至接收端[2]，而后傳輸至服務(wù)器端。

趙帥豪[3]對藍牙低功耗技術(shù)進行了深入研究，實現(xiàn)了基于低功耗藍牙定位的老年人室內(nèi)跌倒監(jiān)護系統(tǒng)和地鐵應(yīng)急通信系統(tǒng)。李佳等[4]將藍牙低功耗技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一套基于藍牙技術(shù)的體溫監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的水銀溫度計比，測量速度更快，測量精度更高。而Stellin等[5]設(shè)計并評估了基于無人機的WiFi自組網(wǎng)的雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效解決了在網(wǎng)絡(luò)中斷或阻塞的情況下，使用固定網(wǎng)關(guān)不再有效的問題。同樣，文獻[6-7]選擇WiFi作為系統(tǒng)的通信方式，實現(xiàn)終端管理對傳感器模塊的實時監(jiān)測與控制。

然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的多元化[8]，藍牙、WiFi等通信方式已經(jīng)無法滿足戶外條件下通信距離遠、實時性好和穩(wěn)定性強等需求，ZigBee等通信距離較遠同時具有低功耗特點的通信方式逐漸走進人們的視野，受到研發(fā)人員的青睞。劉少楠等[9]在研究優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點間的傳輸時延、均衡節(jié)點問題的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的改進措施，并利用改進后的ZigBee路由協(xié)議設(shè)計和實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文獻[10]就如何將無線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于住宅和商業(yè)空間的電力負荷自動化的問題進行了論述，提出了智能插頭生態(tài)系統(tǒng)的改進方案，解決了星形結(jié)構(gòu)中RSSI觀測的局限性。

與ZigBee有所不同，LoRa通信方式更適合在長距離傳輸場景中的應(yīng)用。梅大成等[11]設(shè)計了一種基于LoRa擴頻技術(shù)的差異性時隙分配策略的無線數(shù)據(jù)采集方法，有效地解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在復(fù)雜油田環(huán)境中組網(wǎng)困難和超高功耗的問題，可進一步實現(xiàn)數(shù)字化油田的建設(shè)。文獻[12]論述了研究人員Kathan等設(shè)計的一個多層架構(gòu)的智能停車系統(tǒng)，通過使用多個傳感器、適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)以及edge和云計算的先進處理能力，使得設(shè)計的智能停車系統(tǒng)可以有效地解決交通堵塞、停車困難的問題，真正實現(xiàn)智能化管理。

基于上述文獻啟發(fā)，結(jié)合高壓輸電線路工作在戶外環(huán)境中的實際情況，本設(shè)計分別采用ZigBee和LoRa兩種不同的通信方式設(shè)計溫度監(jiān)測系統(tǒng)，為溫度數(shù)據(jù)設(shè)計獨特的報文，數(shù)據(jù)通過4G通信模塊上傳，最終在服務(wù)器上讀取實時數(shù)據(jù)。

1 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ZigBee的測溫系統(tǒng)主要由基于CC2630的傳感器節(jié)點、基于CC2530的數(shù)據(jù)匯集器和服務(wù)器組成。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 ZigBee溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1 Overall design of ZigBee temperature monitoring system

每個溫度傳感器按一定時間間隔測量線路溫度，按固定的報文格式先無線傳輸給數(shù)據(jù)匯集器中的協(xié)調(diào)器(即CC2530)，通過杜邦線分別連接數(shù)據(jù)匯集器的串口和4G通信模塊的串口，報文數(shù)據(jù)進一步傳輸至指定服務(wù)器。在服務(wù)器中輸入某個傳感器的MAC地址，即可查看到對應(yīng)傳感器所監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)匯集器

ZigBee技術(shù)是一種適用于較遠距離的無線通信技術(shù)，擁有傳輸性能穩(wěn)定、動態(tài)拓撲及功耗低等優(yōu)勢，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和智能家居等領(lǐng)域有著大規(guī)模的應(yīng)用[13]。此系統(tǒng)中，選用CC2530為MCU，首先接收各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行匯總，接著對數(shù)據(jù)進行解析等處理，最后將數(shù)據(jù)通過4G通信模塊上傳至服務(wù)器。具體實物如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)匯集器Fig.2 Data collector

1.2.2 基于ZigBee的傳感器

溫度傳感器模塊選用CC2630作為MCU核心控制單元，選用32.768 kHz和20 MHz的晶振組成晶振模塊，為傳感器提供時鐘信號。在下載端口，單排五孔排針與JTAG下載器相連，從上到下依次分別為：TMS、TCK、RESET、VDD和GND。具體實物如圖3所示。

圖3 溫度傳感器Fig.3 Temperature sensor

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點端

在ZigBee溫度監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器和傳感器的工作流程如圖4所示，協(xié)調(diào)器CC2530在一個周期中初始化后首先開始組網(wǎng)，各傳感器節(jié)點收到信號后，發(fā)送入網(wǎng)請求[14]。若請求成功，則該傳感器加入網(wǎng)絡(luò)；若請求失敗，則重新發(fā)起請求，3次請求失敗時，傳感器重啟。傳感器入網(wǎng)經(jīng)過初始化后，開始采集數(shù)據(jù)，通過CC2630傳輸至數(shù)據(jù)匯集器，匯集器識別、解析數(shù)據(jù)，正確后通過4G模塊發(fā)送至服務(wù)器。所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，協(xié)調(diào)器和傳感器都進入休眠模式，保持低功耗狀態(tài)。

圖4 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和傳感器 節(jié)點工作流程Fig.4 Workflow of coordinator and sensor nodes in ZigBee-based temperature monitoring system

1.3.2 報文設(shè)計

在基于ZigBee的測溫系統(tǒng)中，設(shè)計方案是一個區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點都將采集到的數(shù)據(jù)上傳至該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)匯集器，也就是“多對一”的工作模式。對于匯集器而言，要想準(zhǔn)確地識別每個傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)，需要依靠其獨特的身份加以辨別。為此，在系統(tǒng)中設(shè)計了報文，所有數(shù)據(jù)按照報文格式傳輸。

報文內(nèi)容包括報文頭、傳感器ID、MAC地址、數(shù)據(jù)采集時間、溫度數(shù)據(jù)、電池電壓值和CRC校驗等，具體格式如表1所示。

表1 ZigBee測溫系統(tǒng)報文格式

由表1可以看出，在報文中，MAC地址占2個字節(jié)，是每個傳感器特有的標(biāo)志。同時報文中加入了數(shù)據(jù)采集的時間和電池電壓2類數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的讀取與分析。此外，數(shù)據(jù)采集時間、溫度數(shù)據(jù)和電池電壓皆采用16進制的形式傳輸。

1.3.3 服務(wù)器端

服務(wù)器在收到溫度數(shù)據(jù)后，判斷報文內(nèi)容是否與設(shè)計的報文格式相同，若相同，則判斷正確，數(shù)據(jù)存入服務(wù)器；若不同，則判斷錯誤，數(shù)據(jù)無法正常傳輸至服務(wù)器。具體流程如圖5所示。

圖5 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端工作流程Fig.5 Server workflow of ZigBee-based temperature monitoring system

2 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于LoRa的測溫系統(tǒng)主要由基于STM32FO30F4型單片機的傳感器節(jié)點、基于有人芯片的4G通信模塊和服務(wù)器組成。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖6所示。

圖6 LoRa溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.6 Overall design of LoRa temperature monitoring system

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于LoRa傳輸方式的溫度傳感器設(shè)計中，STM32F030F4型號的單片機具有運算速度快、存儲空間大、串行調(diào)試接口和I/O口皆具備等優(yōu)點，同時功耗低、工作電壓較低，因此是作為溫度傳感器MCU的不錯選擇。在通信模塊，MP1482充當(dāng)降壓的角色，將5 V電源降為3.8 V，再利用2個二極管將3.8 V電壓降至3.3 V，作為驅(qū)動元器件工作的電壓。選用SP3232和USR-LTE-7S4分別作為通信模塊的232串口部分和4G部分。硬件實物如圖7所示。

圖7 LoRa溫度監(jiān)測系統(tǒng)實物Fig.7 Physical picture of LoRa temperature monitoring system

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 傳感器節(jié)點端

基于LoRa傳輸方式的測溫系統(tǒng)傳感器工作流程如圖8所示。

圖8 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)傳感器節(jié)點工作流程Fig.8 Sensor node workflow of LoRa-based temperature monitoring system

LoRa雖具備傳輸距離長的優(yōu)點，但這種長距離傳輸也就帶來了功耗較高的問題。為真正實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，必須控制傳感器節(jié)點在不進行數(shù)據(jù)采集和傳輸時處于休眠狀態(tài)，到工作時再啟動。傳感器采集到數(shù)據(jù)后首先存入緩沖區(qū)，再上傳至接收端。當(dāng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部上傳后，后續(xù)傳感器中的數(shù)據(jù)才繼續(xù)放至緩沖區(qū)。所有數(shù)據(jù)上傳完畢后，傳感器恢復(fù)至低功耗狀態(tài)。

2.3.2 報文設(shè)計

與基于ZigBee的測溫系統(tǒng)一樣，基于LoRa的測溫系統(tǒng)也有其自己的一套報文?；贚oRa測溫系統(tǒng)的報文設(shè)計如表2所示[15]。受STM32F030F4型單片機最大傳輸字節(jié)數(shù)的影響，此套系統(tǒng)設(shè)計的報文長度為17個字節(jié)。其中包括了傳感器序列號(類似于MAC地址)、數(shù)據(jù)采集時間、溫度數(shù)據(jù)和電池電壓等內(nèi)容。

表2 基于LoRa測溫系統(tǒng)的報文格式

2.3.3 接收端

與發(fā)送端一樣，接收端首先跳出休眠模式，接收發(fā)送端的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行識別、解析等處理，處理完畢后再通過4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。同時，接收端也有緩沖區(qū)，接收來自傳感器端的數(shù)據(jù)時，先存入緩沖區(qū)，一組數(shù)據(jù)識別和解析完畢后，才能進行下一組數(shù)據(jù)的處理。所有數(shù)據(jù)處理完畢后，接收端恢復(fù)至低功耗狀態(tài)，其具體流程如圖9所示。

圖9 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)接收端工作流程Fig.9 Receiving end workflow of LoRa-based temperature monitoring system

2.3.4 服務(wù)器端

服務(wù)器端的工作流程如圖10所示。服務(wù)器作為接收數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)[16]的地方，首先對接收端傳輸過來的數(shù)據(jù)進行識別、判斷，判定數(shù)據(jù)符合報文格式后再進行解析，數(shù)據(jù)解析完畢后存儲所有數(shù)據(jù)。

圖10 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端工作流程Fig.10 Server workflow of LoRa-based temperature monitoring system

3 結(jié)果與分析

為測試2種傳輸方式分別構(gòu)成的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實用性及可靠性，按照上述軟硬件設(shè)計進行了多次試驗，獲取了如圖11和圖12所示的數(shù)據(jù)。

圖11 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)Fig.11 Data of ZigBee-based temperature monitoring system

圖12 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)Fig.12 Data of LoRa-based temperature monitoring system

在2種不同傳輸方式的測溫系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，利用萬用表等工具測出了測溫系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的傳輸距離、工作電流、發(fā)射電流以及功耗等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同傳輸方式下測溫系統(tǒng)的工作參數(shù)

實驗結(jié)果表明，2種傳輸方式下的測溫系統(tǒng)都能實現(xiàn)對輸電線路溫度的精確采集，及時向后傳輸，服務(wù)器實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的保存。而從性能角度來說，ZigBee傳輸方式下的測溫系統(tǒng)傳輸距離較近,僅為LoRa傳輸方式的1/15，但是工作電流、發(fā)射電流等能耗較小，功耗也僅約為LoRa傳輸方式的1/8。

4 結(jié)束語

本文分別運用目前應(yīng)用較多的2種傳輸方式——ZigBee和LoRa，設(shè)計了2套應(yīng)用于高壓輸電線路監(jiān)測的溫度傳感器系統(tǒng)。系統(tǒng)在硬件和軟件的協(xié)調(diào)配合下，實現(xiàn)了對高壓線路溫度的精確采集、上傳和存儲，系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強[17]等優(yōu)點。同時對2種傳輸方式的工作性能做了對比，為批量化的生產(chǎn)應(yīng)用提供了一定參考。但此系統(tǒng)中缺少客戶端的設(shè)計，還沒有將數(shù)據(jù)更直觀地呈現(xiàn)出來，這一方面還有待進一步完善。