基于UWB+LoRa的料堆環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

孟慶志，劉 庚

（濟南祥控自動化設(shè)備有限公司，山東 濟南 250101）

0 引 言

封閉料場中的料堆，如煤堆、糧食堆、秸稈垛、煙草堆垛等，由于長時間堆放、堆內(nèi)通風(fēng)性差等原因，溫度容易升高，導(dǎo)致自燃、霉變、釋放有毒有害氣體等，給企業(yè)造成經(jīng)濟損失[1-3]。因此，對料堆表面及內(nèi)部進行實時精確定位監(jiān)測很有必要。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為料堆實時精確定位監(jiān)測提供了更多技術(shù)選項。超寬帶（UWB）技術(shù)采用極窄的脈沖信號進行信息傳遞，無需使用載波信號進行調(diào)整，由于其特殊的通信方式，其定位精度可達厘米級，相較于紅外線、射頻收發(fā)、WiFi、ZigBee、視覺定位等室內(nèi)定位技術(shù)，UWB定位具有高定位精度、高穿透力、高時間分辨率和較強的抗多路徑能力等優(yōu)點[4-5]。

在低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）產(chǎn)生之前，遠距離和低功耗兩者只能有取舍。LoRa是LPWAN通信技術(shù)中一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。LoRa技術(shù)具有遠距離、低功耗、多節(jié)點、低成本等特性，改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供了一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、延長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，擴展了傳感網(wǎng)絡(luò)[6]。

本文運用UWB室內(nèi)無線定位技術(shù)和LoRa無線傳輸技術(shù)，設(shè)計了一種料堆環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)靈活改變料堆監(jiān)測位置、即插即獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、可靠無線傳輸和精確坐標(biāo)定位等環(huán)境監(jiān)測功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

料堆環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括智能無線探桿、UWB定位基站、現(xiàn)場監(jiān)控主機和上位機。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能無線探桿用于采集料堆環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊傳輸至現(xiàn)場監(jiān)控主機，同時通過UWB定位標(biāo)簽向UWB定位基站發(fā)送通信幀。

UWB定位系統(tǒng)由UWB定位標(biāo)簽、UWB基站和定位服務(wù)器組成。UWB基站安裝在封閉的料場室內(nèi)頂部，基站位置和定位精度強相關(guān)，需要進行精準(zhǔn)測量校正。

基站通過POE交換機和現(xiàn)場監(jiān)控主機的光端機將定位數(shù)據(jù)傳輸至上位機。上位機兼具UWB定位服務(wù)器的功能，可通過定位算法解算出每個無線探桿的精確位置坐標(biāo)。

現(xiàn)場監(jiān)控主機實時接收、處理和顯示各無線探桿上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至上位機，同時讀取上位機解算出的各無線探桿的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 智能無線探桿設(shè)計

智能無線探桿采用不銹鋼探桿和表頭結(jié)構(gòu)。不銹鋼探桿內(nèi)有多個溫度傳感器節(jié)點，使用時可將不銹鋼探桿插入料堆內(nèi)部，實現(xiàn)料堆內(nèi)部測溫。探桿末端可集成溫濕度傳感器，用于需要測量料堆內(nèi)部濕度或水分含量的場合。對于需要測量料堆表面釋放有毒有害氣體濃度的場景，可將不銹鋼探桿更換成氣體傳感器探頭。

無線探桿由微控制器、溫濕度傳感器接口、溫度傳感器接口、氣體傳感器接口、電池管理單元、觸發(fā)按鍵接口、LoRa通信模塊、UWB定位標(biāo)簽?zāi)K組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能無線探桿硬件結(jié)構(gòu)

微控制器選用意法半導(dǎo)體公司出品的STM32L152超低功耗單片機，該單片機內(nèi)部集成有低功耗實時時鐘（RTC）和一組在待機模式下仍然通電的備份寄存器，用于芯片定時喚醒。集成的LCD控制器有一個內(nèi)置的LCD電壓發(fā)生器，允許驅(qū)動多達8個多路LCD，方便數(shù)據(jù)顯示。

無線探桿采用可充電鋰電池供電，電池管理單元用于電池充放電，以及各傳感器接口、LoRa通信模塊、UWB定位標(biāo)簽?zāi)K的低功耗省電管理。

探桿設(shè)計有外部觸發(fā)按鍵接口，可實現(xiàn)外部實時喚醒和實時時鐘定時喚醒2種軟件喚醒模式。

2.1.1 傳感器接口設(shè)計

傳感器接口設(shè)計有溫濕度傳感器接口、溫度傳感器接口和氣體傳感器接口，可根據(jù)實際項目功能要求更換傳感器探頭類型。

溫濕度傳感器接口支持瑞士ScnSirion公司出品的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器芯片，該芯片同時集成有溫度和濕度傳感器，可提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算功能。芯片在測量和通信結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入低功耗模式。

溫度傳感器接口支持DS18B20溫度傳感器多節(jié)點工作模式，可實現(xiàn)料堆內(nèi)部多個位置的溫度測量。DS18B20溫度傳感器為美國DALLAS公司出品的支持多點組網(wǎng)功能的數(shù)字溫度傳感器芯片，芯片采用先進的單總線數(shù)據(jù)通信方式，多個DS18B20可并聯(lián)在唯一的三線接口上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)測溫。芯片測溫范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃時精度可達±0.5 ℃，可滿足絕大多數(shù)料堆的溫度測量要求。

氣體傳感器接口采用模擬量輸入方式，可通過更換氣體探頭實現(xiàn)CH4、CO、CO2、PH3等常見料堆釋放氣體類型的濃度檢測。

2.1.2 LoRa模塊設(shè)計

LoRa模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司出品的WH-L101-L模塊。模塊支持點對點通信協(xié)議，可實現(xiàn)UART轉(zhuǎn)LoRa數(shù)傳功能；傳輸距離可達3 500 m；支持低功耗工作模式；接收靈敏度可達-138.5 dBm，接收靈敏度高，抗干擾性強；支持?jǐn)?shù)據(jù)加密傳輸，安全性高；支持AT指令配置，內(nèi)置看門狗，穩(wěn)定運行不死機；小尺寸SMT封裝，便于嵌入使用。LoRa模塊接口電路如圖3所示。

圖3 LoRa模塊接口電路

2.1.3 UWB定位標(biāo)簽設(shè)計

UWB定位標(biāo)簽選用DWM1000模塊，模塊基于Decawave公司出品的DW1000 超寬帶收發(fā)芯片，并將天線、全射頻電路、電源管理和時鐘電路集成在一個模塊上，可用于雙向測距或時差（TDOA）定位系統(tǒng)，實現(xiàn)10 cm精度定位，支持高達6.8 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸[7-8]。

UWB定位標(biāo)簽?zāi)K集成在智能無線探桿內(nèi)部采集電路板上，其向周圍發(fā)送納秒級脈沖信號，固定安裝在周圍的UWB基站接收并測量上述脈沖信號，經(jīng)過濾波等處理，各自計算得到脈沖信號的到達時刻等定位測量信息。UWB定位標(biāo)簽?zāi)K接口電路如圖4所示。

圖4 UWB定位標(biāo)簽?zāi)K接口電路

UWB定位基站選用市面上采用DW1000 超寬帶收發(fā)芯片技術(shù)的成熟定位基站，以實現(xiàn)與UWB定位標(biāo)簽的性能適配。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控主機

現(xiàn)場監(jiān)控主機硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括電源管理單元、控制板、觸摸屏顯示器、聲光報警接口、上位機通信接口、LoRa通信模塊和功能按鈕接口。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)控主機硬件結(jié)構(gòu)

控制板通過LoRa通信模塊接收各無線探桿上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并通過上位機通信接口定時從上位機讀取各無線探桿的位置坐標(biāo)信息和響應(yīng)上位機的探桿數(shù)據(jù)讀取命令。當(dāng)探桿傳感器數(shù)據(jù)超出報警閾值時，控制板啟動主機聲光報警器進行超限聲光報警。

觸摸屏顯示器實時讀取控制板數(shù)據(jù)寄存器區(qū)的各無線探桿的傳感器數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，并進行畫面顯示。觸摸屏顯示器通過存儲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，可進行歷史報警記錄、歷史數(shù)據(jù)及趨勢圖查看等。

現(xiàn)場監(jiān)控主機可通過功能按鈕執(zhí)行切換畫面、報警確認(rèn)、就地手動控制等操作。

3 軟件設(shè)計

3.1 無線探桿軟件設(shè)計

無線探桿軟件流程如圖6所示。探桿上電后首先進行系統(tǒng)時鐘、RTC實時時鐘和各模塊初始化，然后傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并通過LoRa通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場監(jiān)控主機，通過UWB定位標(biāo)簽向料場內(nèi)的基站發(fā)射探桿位置信號，隨后無線探桿進入休眠模式。

圖6 無線探桿軟件流程

休眠期間，微控制器內(nèi)集成的低功耗實時時鐘持續(xù)計時，每次計時周期結(jié)束后，實時時鐘自動喚醒微控制器，微控制器被喚醒后從實時時鐘喚醒入口繼續(xù)執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)采集、LoRa無線傳輸、UWB定位信號發(fā)送等程序，程序執(zhí)行完畢后再次進入休眠模式，等待下一次計時周期喚醒。

3.2 通信喚醒機制

為滿足低功耗要求，最大限度延長電池使用時間，無線探桿每次通信結(jié)束后自動進入休眠狀態(tài)，同時將各傳感器接口、LoRa模塊接口和UWB定位標(biāo)簽接口斷電。系統(tǒng)設(shè)計有2種喚醒通信機制：外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒和RTC實時時鐘定時喚醒。

外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒：通過外部按鍵中斷觸發(fā)微控制器立即喚醒，繼續(xù)執(zhí)行程序，對于需要即時獲取料堆監(jiān)測點傳感數(shù)據(jù)和定位信息的應(yīng)用，可執(zhí)行外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒機制。

RTC實時時鐘定時喚醒：通過微控制器內(nèi)部集成的RTC模塊執(zhí)行定時喚醒程序，執(zhí)行完畢后，重新進入休眠狀態(tài)。

3.3 UWB無線定位算法

按照測量參數(shù)的不同，UWB的定位方法可以分為接收信號強度法（RSSI ）、到達角度法（AOA）、到達時間法（TOF）和到達時間差法（TDOA）等[9-10]。

TDOA定位是一種利用時間差進行計算的方法。精準(zhǔn)的絕對時間相對較難測量，通過比較信號到達各UWB定位基站的時間差，計算出信號到各定位基站的距離差，即可做出以定位基站為焦點，距離差為長軸的雙曲線，三組雙曲線的交點即為定位標(biāo)簽位置，如圖7所示。不同于TOF，TDOA通過檢測信號到達2個基站的時間差，而不是通過到達的絕對時間來確定移動臺的位置，因此降低了系統(tǒng)對時間同步的要求。本系統(tǒng)采用TDOA定位算法進行智能無線探桿定位。

圖7 TDOA算法標(biāo)簽定位示意圖

如圖7所示，UWB定位基站的坐標(biāo)分別為R1(x1, y1)，R2(x2, y2)，R3(x3, y3)，R4(x4, y4)，基站R1，R2，R3，R4在 安裝部署時位置固定且坐標(biāo)已知，所求定位標(biāo)簽的坐標(biāo)為O(x0, y0)。

假設(shè)脈沖信號從定位標(biāo)簽O到達基站R1、R2、R3、R4的時間為 t1、t2、t3、t4，分別以 (R1、R4)，(R2、R4)，(R3、R4)作為焦點，定位標(biāo)簽O發(fā)送的信號到兩基站間的距離差為常數(shù)，可以得到3組雙曲線，雙曲線的交點即為定位標(biāo)簽O的坐標(biāo)。

求解坐標(biāo)(x0, y0)的方程如下：

式中，v為脈沖信號的傳播速度。通過上述公式即可求出定位標(biāo)簽坐標(biāo)O(x0, y0)的解。

3.4 現(xiàn)場監(jiān)控主機通信報文

由于現(xiàn)場監(jiān)控主機數(shù)據(jù)不僅要上傳至上位機電腦，有些工業(yè)現(xiàn)場還需為DCS系統(tǒng)、組態(tài)軟件提供數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控主機與上位機通信采用通用的Modbus TCP通信協(xié)議。Modbus協(xié)議是一項應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文類型，Modbus TCP是由施耐德公司推出的基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS 232、RS 422、RS 485和以太網(wǎng)接口，采用Master/Slave方式通信。上位機的軟件設(shè)計在本文中未涉及。現(xiàn)場監(jiān)控主機數(shù)據(jù)寄存器區(qū)單個無線探桿的通信報文格式見表1所列。

表1 數(shù)據(jù)寄存器區(qū)定義

4 系統(tǒng)運行

系統(tǒng)以封閉煤場中的煤堆作為運行測試對象，煤場內(nèi)有4個并排布置的條形煤堆，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#料堆，將煤場左上角作為定位坐標(biāo)原點，并將每個煤堆按照實際測量長度劃分為8個相等區(qū)域。智能無線探桿的UWB定位標(biāo)簽接入煤場堆取料機UWB定位基站系統(tǒng)。系統(tǒng)運行結(jié)果如圖8所示，8個智能無線探桿通過LoRa無線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正確、穩(wěn)定，改變?nèi)我鉄o線探桿的探測區(qū)域位置，UWB定位系統(tǒng)均能精確定位，并在界面中對應(yīng)區(qū)域顯示探桿名稱。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合料堆監(jiān)測需求，運用UWB室內(nèi)無線定位技術(shù)和LoRa無線傳輸技術(shù)設(shè)計了一種料堆環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了靈活改變料堆監(jiān)測位置、即插即獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、可靠無線傳輸和精確坐標(biāo)定位等環(huán)境監(jiān)測功能。項目運行測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行效果良好，可滿足實際料堆監(jiān)測的需要。