基于LoRa的電解鋁槽監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周黃河，于會(huì)山

（聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，聊城 252059）

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，電解鋁行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)逐漸成為我國社會(huì)發(fā)展中不可分割的組成部分，因此對(duì)于電解鋁槽內(nèi)部狀態(tài)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。強(qiáng)磁、高溫、粉塵是目前我國鋁電解工廠較常見的主要生產(chǎn)環(huán)境，這些因素對(duì)于生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)的采集和控制系統(tǒng)具有較大的影響，比如對(duì)于測(cè)量陽極導(dǎo)桿上的等距式壓降、陽極部分電流和爐溫度的測(cè)量等常用數(shù)據(jù)，目前大部分都是依靠人力周期性的進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)不能夠同步、不連續(xù)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整，在許多情況下可能被其他的槽況發(fā)生變化的數(shù)據(jù)所影響或者無法正常獲?。?］；而且由于人工檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)維費(fèi)用成本高，更重要的是檢測(cè)工作不到位、不及時(shí)、不準(zhǔn)確，若對(duì)漏槽的判斷不夠及時(shí)，可能會(huì)直接沖斷整個(gè)母線，造成系統(tǒng)停電、漏出鋁液、燃燒等事故，漏電檢測(cè)若不到位，則造成電流效率低等問題［2］。

為解決以上問題，本文提出了一種基于LoRa無線技術(shù)的電解鋁槽溫度的檢測(cè)和采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)，有諸多優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)可有效降低成本，并避免繁雜的布線環(huán)節(jié)。這樣不僅降低了線路鋪設(shè)的成本，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力，而且提高了生產(chǎn)效率，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力和投資的便利性。同時(shí)，不需要進(jìn)行線路的變動(dòng)，既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展，操作簡便，且具有較強(qiáng)的靈活性和抗干擾能力，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層主要是傳感器部分和采集端主機(jī)部分，兩者之間通過LoRa進(jìn)行無線通訊，其中傳感器部分包括可以測(cè)量電解鋁槽的溫度、電壓和電流，負(fù)責(zé)電解鋁槽數(shù)據(jù)的采集［3］。采集端主機(jī)部分，負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)顯示在主機(jī)界面上。網(wǎng)絡(luò)層則是將主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過485串口傳輸?shù)絃oRa DTU設(shè)備，由DTU設(shè)備負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)透?jìng)?，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，負(fù)責(zé)上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)。應(yīng)用層顯示采集終端上傳的數(shù)據(jù)，以便用戶進(jìn)行管理和分配。系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要包括以下部分，分別為以STM32F103VET6為控制芯片的主控模塊、傳感模塊、蜂鳴器報(bào)警、無線LoRa傳輸模塊、RS485模塊、語音報(bào)警模塊、電源模塊、顯示模塊等。硬件部分的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器模塊

傳感器安裝在電解鋁槽的對(duì)應(yīng)位置，對(duì)電解鋁槽的溫度、電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。傳感器模塊是以STC為控制芯片的微型系統(tǒng)，該模塊主要包括：STC8G1K08主控芯片、AD轉(zhuǎn)換電路、RS2251開關(guān)電路、LoRa模塊以及運(yùn)放電路。其中傳感器采集的數(shù)據(jù)先經(jīng)過RS2251數(shù)字控制模擬開關(guān)后輸出，輸出的信號(hào)再經(jīng)過GS8551運(yùn)算放大電路處理后再經(jīng)過ADS1100模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送給主控芯片進(jìn)行處理［4］。主控芯片處理完數(shù)據(jù)后，再將采集數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳輸?shù)讲杉说闹鳈C(jī)部分。傳感器部分的電路如圖3所示。

圖3 運(yùn)放和AD轉(zhuǎn)換電路

2.2 主控部分

主機(jī)部分通過STM32系列芯片進(jìn)行控制，該控制芯片是基于ARM Cortex-M的STM32F103VET 6-LQFP100微控制器。其工作電壓為2～3.6 V，數(shù)據(jù)的RAM大小為64 kB，程序存儲(chǔ)器容量高達(dá)512 kB。芯片的工作溫度為-40～85℃。主控芯片的原理如圖4所示。

圖4 主控芯片

2.3 語音報(bào)警模塊

系統(tǒng)使用的語音報(bào)警模塊是由以BY8001-24SS為主控芯片的控制部分和音頻功率放大部分組成，其中BY8001-24SS是一款新型的高音質(zhì)MP3主控芯片，支持MP3和WAV雙格式解碼［5］。該芯片通過SD或者TF卡更換語音的內(nèi)容，SD∕TF卡中的內(nèi)容可使用U盤或者USB數(shù)據(jù)線連接到電腦上進(jìn)行更換，支持15路按鍵一對(duì)一觸發(fā)播放，有多達(dá)8種觸發(fā)方式可選，使用十分便捷。

音頻功放電路以TDA2030A作為運(yùn)算放大器，該電路部分的各個(gè)引腳和電容分別起到了不同的作用。引腳1起到同相輸入端偏置的作用，引腳2通過設(shè)置閉環(huán)達(dá)到增益效果，引腳4則是用來移相和穩(wěn)定頻率，引腳3和引腳5連接的二極管的作用是輸出電壓正負(fù)限幅保護(hù)。

主機(jī)中可以通過設(shè)置閾值，當(dāng)采集端采集到的數(shù)據(jù)超過了設(shè)置的閾值，則語音報(bào)警模塊就會(huì)通過喇叭發(fā)出報(bào)警。主控芯片部分和音頻功率放大電路如圖5和圖6所示。

圖6 音頻功率放大電路

2.4 RS485通信模塊

主機(jī)部分通過RS485通訊接口和LoRa DTU設(shè)備實(shí)行數(shù)據(jù)通信。傳感器所測(cè)的溫度、電壓和電流數(shù)據(jù)通過LoRa模塊上傳到主機(jī)部分，再通過RS485串口將采集數(shù)據(jù)傳輸給LoRa DTU設(shè)備。DTU設(shè)備就是一種專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備。此處，LoRa DTU設(shè)備將從485串口接收到的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)打包并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理［6］。DTU設(shè)備和主機(jī)的485接口之間采用的Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。485模塊的原理如圖7所示。

圖7 485通訊模塊

2.5 Lo Ra模塊

系統(tǒng)采用SX1278LoRa擴(kuò)頻無線模塊，該模塊的射頻芯片SX1278采用的是LoRaTM遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，其抗干擾強(qiáng)能力強(qiáng)，可以有效地降低電流損耗程度，一般適用于遠(yuǎn)距離擴(kuò)頻通信傳輸［7］。借助LoRaTM專利調(diào)制技術(shù)，SX1278具有-148 dBm的高靈敏度，+20 dBm的功率輸出，信號(hào)傳輸?shù)赜行Ь嚯x足夠大，可靠性高。同時(shí)，與傳統(tǒng)地調(diào)制技術(shù)想比，LoRaTM技術(shù)在抗阻塞和選擇方面的表現(xiàn)也十分突出，既減小了功耗，又增強(qiáng)了抗干擾能力和有效傳輸距離［8］。LoRa模塊部分的電路原理如圖8所示。

圖8 LoRa模塊電路部分

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分，主程序首先進(jìn)行IO口、時(shí)鐘、中斷和數(shù)據(jù)等初始化。初始化完畢后，傳感器所采集的溫度、電壓、電流數(shù)據(jù)會(huì)先經(jīng)過AD模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后通過LoRa模塊傳送給主機(jī)，主機(jī)接收到傳感器的數(shù)據(jù)后，會(huì)經(jīng)過CRC16-Modbus進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過則數(shù)據(jù)會(huì)被主機(jī)成功接收并顯示到主機(jī)界面上，否則不顯示［9］。主機(jī)成功接收的數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷，若超過用戶所設(shè)置的閾值，則主機(jī)的蜂鳴器會(huì)報(bào)警，同時(shí)會(huì)啟動(dòng)音頻功放模塊，通過揚(yáng)聲器對(duì)相應(yīng)槽號(hào)的電解鋁槽的狀態(tài)進(jìn)行語音報(bào)警，從而提醒工作人員實(shí)時(shí)查看。主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)，會(huì)經(jīng)過485模塊傳輸給LoRa DTU設(shè)備，使用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊。LoRa DTU設(shè)備將成功接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，打包發(fā)送到監(jiān)控云平臺(tái)，供用戶進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)處理的軟件流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理部分流程

3.2 主機(jī)的界面軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)界面部分，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的參數(shù)按鈕和參數(shù)顯示框，通過調(diào)用相應(yīng)的變量指令，實(shí)現(xiàn)向界面發(fā)送參數(shù)值、頁面切換、發(fā)送數(shù)值動(dòng)態(tài)圖標(biāo)等功能。主界面會(huì)顯示電解鋁槽的各個(gè)傳感器點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，頁面可以通過觸摸按鈕切換溫度、電流、電壓三個(gè)數(shù)據(jù)頁面。設(shè)置頁面中可以設(shè)置不同的參數(shù)，如報(bào)警閾值上限、顯示頻率、信道編號(hào)等。

3.3 Lo Ra模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的LoRa模塊由安信可設(shè)計(jì)開發(fā)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊上傳至監(jiān)控云平臺(tái)。對(duì)該模塊進(jìn)行軟件配置時(shí)，首先需要進(jìn)行連接配置，即選擇想要發(fā)送的目標(biāo)地址［10］。

和信道，來與目標(biāo)設(shè)備建立連接。建立連接后，設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間按照LoRa通信協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行信息傳輸。LoRa模塊有四種模式以適應(yīng)不同功耗環(huán)境，包括一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式。四種模式工作方式，本系統(tǒng)采用的工作模式有喚醒模式、一般模式和省電模式，具體的模式如表1所示。

表1 LoRa模塊工作模式

3.4 監(jiān)控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，在設(shè)計(jì)時(shí)利用SSH的主流框架整合，結(jié)合JSP和CSS開發(fā)設(shè)計(jì)云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶的權(quán)限分配、移動(dòng)端監(jiān)測(cè)設(shè)備的對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的查詢、刪除、增加和修改等基本功能。數(shù)據(jù)庫使用SQL格式，采集的數(shù)據(jù)也以曲線界面展示變化狀態(tài)，供使用者更好的分析。

4 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)完系統(tǒng)之后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)測(cè)試過程包括對(duì)LoRa無線傳輸、數(shù)據(jù)采集、界面顯示、數(shù)據(jù)的上傳、云平臺(tái)的監(jiān)控等功能的測(cè)試。主機(jī)的測(cè)試界面和云平臺(tái)界面如圖10所示。

圖10 主機(jī)界面數(shù)據(jù)

從圖11可以看出，電解鋁槽的各個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，都通過LoRa模塊進(jìn)行無線傳輸發(fā)送到主機(jī)界面并顯示出來，采集數(shù)據(jù)更新時(shí)間為30 s更新一次。采集數(shù)據(jù)在主機(jī)上顯示之后，再由485通訊口傳輸給LoRa DTU設(shè)備，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，上傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)會(huì)上顯示電解鋁槽的各個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，以及報(bào)警信息。

圖11 云平臺(tái)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的該電解鋁槽監(jiān)控系統(tǒng)，以STM32作為主控芯片，無線模塊使用SX1278的LoRa模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)和傳感器之間的對(duì)接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信協(xié)議使用的是Modbus協(xié)議。采集的傳感器數(shù)據(jù)之后通過485通訊口將數(shù)據(jù)傳輸給LoRa DTU設(shè)備，DTU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)后打包發(fā)送之云平臺(tái)，供使用者更方便的監(jiān)控電解鋁槽的狀態(tài)。該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)的方式節(jié)省了很多的時(shí)間和成本，且更具便利性。