基于LoRa 的智慧工廠(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋振雷，吳冬燕，張衛(wèi)星，薛福霞

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信工程系，江蘇蘇州，215104；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州，215104；3.國(guó)網(wǎng)（北京）綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京，102600）

0 引言

自“智慧地球”理念出現(xiàn)后，IBM 利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)推動(dòng)該理念的落實(shí)，因此不斷涌現(xiàn)出“智慧工廠(chǎng)”、“智慧交通”、“智能家居”等理念。在德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)通用電氣“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念等計(jì)劃的推動(dòng)下，智慧工廠(chǎng)便顛覆以人力、非智能機(jī)械為主的傳統(tǒng)工業(yè)體系。因此產(chǎn)生工廠(chǎng)高度自動(dòng)化的生產(chǎn)。本文主要研究了智慧工廠(chǎng)中對(duì)于環(huán)境的監(jiān)測(cè)。選取了STM32 系列單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的主控MCU，STM32L053R8T6 可以輕松的于各類(lèi)傳感器、電子元件、拓展模塊進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)擁有出色的低功耗特點(diǎn)，通過(guò)研究調(diào)查，本文選取了LoRa 作為無(wú)線(xiàn)通信方式，LoRa 使用的星狀拓?fù)?，可以達(dá)到靈活組網(wǎng)的目的，同時(shí)可以極大的降低功耗，通過(guò)網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接與配置，從而可以在平臺(tái)上檢測(cè)到環(huán)境數(shù)據(jù)的變化。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于LoRa 的智慧工廠(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由STM32L053R8T6 作為節(jié)點(diǎn)核心控制板，環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、調(diào)用LoRa 傳輸都由它來(lái)集成控制。將監(jiān)測(cè)環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)反饋到核心控制板上，再由控制板將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為可以通過(guò)LoRa 發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流經(jīng)由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)配置與處理，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上便可以觀測(cè)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。具體流程如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文選用的STM32L053R8T6 型號(hào)單片機(jī)，作為底層節(jié)點(diǎn)，連接傳感器、按鍵、LED、LoRa 模塊，引腳充足。同時(shí)該芯片是具有突破性性能、真正超低功率型的微控制器。以測(cè)量溫濕度及光照度的節(jié)點(diǎn)為例，硬件電路設(shè)計(jì)主要包括電源模塊連接電路、LED 顯示電路、按鍵控制電路、溫濕度傳感器連接、光照度傳感器、LoRaWAN 通信模塊。下面對(duì)上述的電路進(jìn)行說(shuō)明。

（1）電源模塊連接電路

電源方面我們使用了TPS63020 芯片，該芯片輸入電壓范圍大，可以調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)可以選擇省電模式，符合該系統(tǒng)的低功耗要求。該芯片帶有過(guò)熱和過(guò)壓保護(hù)，關(guān)斷期間負(fù)載為斷開(kāi)狀態(tài)。為了給芯片及連接的模塊穩(wěn)定的供電，可以使用三節(jié)干電池供電，并通過(guò)對(duì)外部的電阻分頻器編程，使輸出電壓穩(wěn)定在3.3V。

（2）LED 顯示電路

LED 顯示電路由4 個(gè)LED 組成，可以直觀的顯示節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)。這組LED 采用了共陽(yáng)極的接法，另一端連接在芯片的PC0-3 四個(gè)O 口，并在LED 與電源之間加裝了100Ω 的電阻，防止電流過(guò)大導(dǎo)致?lián)舸?。?dāng)需要使LED 發(fā)光時(shí)，僅需要給對(duì)應(yīng)的O 口低電平即可。

（3）按鍵控制模塊

按鍵控制模塊是為了可以方便的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，在按鍵與電源之間加裝了10k 電阻，防止按鍵按下時(shí)，電源與地短接發(fā)生短路。在電阻與按鍵之間，我們引出了一個(gè)引腳，接在芯片的PC7 和PC8 上，當(dāng)按鍵按下，芯片接收到低電平，反之接收到高電平，由此可以判斷按鍵是否按下。

（4）溫濕度傳感器

考慮到工廠(chǎng)內(nèi)的惡劣環(huán)境及該設(shè)計(jì)對(duì)低功耗的要求，我們使用了HDC1000 溫濕度傳感器。該芯片濕度工作范圍在0%至100%，誤差僅在±3%，溫度工作范圍在-40℃至+125 攝氏度，精度在±0.2℃。休眠狀態(tài)下電流僅為200nA。可以超低功耗提供出色的測(cè)量精度。其封裝的特殊性使其免受灰塵粉塵及其他污染物的影響，極其適合在工廠(chǎng)的惡劣環(huán)境下運(yùn)行。該芯片的SCL 腳與SDA 腳接入到芯片的PB6 和PB7 腳，DRDYn 腳接入到芯片的PC9。

（5）光照度傳感器

經(jīng)過(guò)對(duì)工廠(chǎng)的考察，一些工廠(chǎng)內(nèi)有多種原材料不可強(qiáng)光直射，所以該節(jié)點(diǎn)加裝了光照度傳感器，該傳感器使用的OPT3001 環(huán)境光傳感器，運(yùn)用了緊密的光學(xué)濾波，可阻隔百分之九十九的紅外線(xiàn)，測(cè)量范圍較廣，同時(shí)可以低電流低電壓運(yùn)行，適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中使用，中斷系統(tǒng)也極為靈活。該芯片使用I2C 總線(xiàn)，SCL 和SDA 端與溫濕度傳感器相同，接入到PB6 和PB7 腳。中斷引腳INT 接入到PC13。

（6）LoRaWAN 通信模塊

LoRaWAN 通信模塊使用的是LSD4RF-2F717M91 透?jìng)髂K，通過(guò)串口與用戶(hù)端通訊，采用LoRa 調(diào)制技術(shù)達(dá)到無(wú)線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的方式，具有可靠性高、抗干擾性高、性能高的特點(diǎn)。該模塊工作電壓在3.0-3.6V，工作溫度-40-85 ℃，在休眠模式下工作電流小于10μA。該節(jié)點(diǎn)在空曠環(huán)境下，通訊距離在5km，由于使用的貼片模塊，我們需要在射頻出口到天線(xiàn)反饋點(diǎn)按照50Ω 阻抗匹配原則布線(xiàn)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的所有程序是在IAR for ARM 進(jìn)行編寫(xiě)。該程序內(nèi)包含串口調(diào)試程序設(shè)計(jì)、傳感器驅(qū)動(dòng)的調(diào)用、整體程序的邏輯設(shè)計(jì)。

（1）串口調(diào)試程序設(shè)計(jì)

為了方便安裝入網(wǎng)，我們編寫(xiě)了串口調(diào)試部分的程序，當(dāng)設(shè)備第一次上電時(shí)，設(shè)備與網(wǎng)關(guān)并未進(jìn)行配對(duì)，通過(guò)串口，我們可以輸入網(wǎng)關(guān)的設(shè)備號(hào)、節(jié)點(diǎn)自身的設(shè)備號(hào)以及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的APIKEY，這樣節(jié)點(diǎn)才能與網(wǎng)關(guān)正常通信，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)才能接受到節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。設(shè)備的自檢也是必不可缺少的部分，當(dāng)自檢開(kāi)啟，節(jié)點(diǎn)會(huì)將實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備號(hào)、所連網(wǎng)關(guān)的設(shè)備號(hào)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的APIKEY 在串口打印下來(lái)，以便我們檢查。為了實(shí)現(xiàn)低功耗的功能，在串口調(diào)試中，可以調(diào)節(jié)至低功耗定時(shí)發(fā)送模式，在程序中，在定時(shí)發(fā)送模式的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)低功耗處理，發(fā)送過(guò)程中和等待發(fā)送的過(guò)程中都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的休眠?？梢赃_(dá)到極低的功耗。

（2）傳感器庫(kù)的調(diào)用

傳感器采集的數(shù)據(jù)為模擬量，一些傳感器內(nèi)部會(huì)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，但主控芯片不可以直接將這些數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化為我們所熟知的十進(jìn)制數(shù)據(jù)。所以必須引入驅(qū)動(dòng)文件，我們會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)文件進(jìn)行一些相應(yīng)端口的修改，使其符合我們的接線(xiàn)規(guī)則，同時(shí)驅(qū)動(dòng)文件會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在程序輸出時(shí)便可以得到易于明白的數(shù)據(jù)。

（3）整體程序的邏輯設(shè)計(jì)

整體邏輯保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在該程序邏輯中，首先經(jīng)過(guò)用戶(hù)的調(diào)試后能否通過(guò)自檢，自檢不通過(guò)，則需要再次調(diào)試，若通過(guò)，便開(kāi)始運(yùn)行。運(yùn)行期間大部分時(shí)間是處于休眠狀態(tài)，當(dāng)喚醒時(shí)間到，則進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集及自身電池電壓采集，將數(shù)據(jù)上報(bào)，若有異常，則增加報(bào)警數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上報(bào)，上報(bào)結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行休眠。具體流程圖如圖2 所示。

圖2 整體程序邏輯設(shè)計(jì)流程圖

4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是將所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總的平臺(tái)，在這里，用戶(hù)可以直觀的監(jiān)測(cè)到所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)擁有一些便捷的功能，下面將一一介紹。

（1）設(shè)備基本信息系統(tǒng)

在該平臺(tái)上用戶(hù)可以看到所有設(shè)備的上線(xiàn)數(shù)據(jù)，未上線(xiàn)的設(shè)備可以直觀的看到，通過(guò)工單系統(tǒng)可以為負(fù)責(zé)該區(qū)域節(jié)點(diǎn)的工作人員下發(fā)維修工單。同時(shí)，每類(lèi)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)圖標(biāo)，設(shè)備的異常狀況會(huì)在圖標(biāo)上進(jìn)行醒目的提示。點(diǎn)擊圖標(biāo)會(huì)進(jìn)入該類(lèi)設(shè)備的詳細(xì)信息處。

（2）工單系統(tǒng)

平臺(tái)中，可以將工廠(chǎng)設(shè)備與員工綁定，從而方便工單系統(tǒng)的使用，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常、上線(xiàn)異常時(shí)，可以向員工發(fā)放任務(wù)工單，去指定地點(diǎn)進(jìn)行檢查維修，保證了高效率與生產(chǎn)環(huán)境的高安全性。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

圖3 硬件電路

在平臺(tái)中，用戶(hù)可以選擇任意一個(gè)設(shè)備，使用柱狀圖或折線(xiàn)圖來(lái)直觀的監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，同時(shí)可以以圖或表的方式下載至PC 中打印，方便工廠(chǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)匯報(bào)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)主要涉及是通過(guò)STM32 核心板進(jìn)行控制，通過(guò)LoRa 進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。主要涉及到了各個(gè)模塊之間及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)也包括了設(shè)備休眠算法設(shè)計(jì)，主要是為了適應(yīng)工廠(chǎng)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，減少節(jié)點(diǎn)的電源更換。運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)使得環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)更加方便快捷，避免了人工監(jiān)測(cè)速度慢、易出現(xiàn)誤差的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)內(nèi)環(huán)境的高效率，低誤差的監(jiān)測(cè)，為工廠(chǎng)內(nèi)的生產(chǎn)加工提供了環(huán)境保障。