基于LoRaWAN通信的升降機(jī)安全高度預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

于大恒,王 春,李婉婷

(吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠,長(zhǎng)春130033)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn),需對(duì)煙草動(dòng)力車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及設(shè)備進(jìn)行分析,特別是對(duì)登高作業(yè),應(yīng)增加審批環(huán)節(jié),即對(duì)2 m以下、5 m以下及5 m以上登高作業(yè)進(jìn)行審批及監(jiān)控,加強(qiáng)硬件防護(hù),實(shí)現(xiàn)車間登高作業(yè)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,LoRa通信技術(shù)以其低功耗、抗干擾強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、穿透性好等特點(diǎn)[1-3]被各行業(yè)大量應(yīng)用。分析了各無(wú)線通信方案,選擇LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)作為項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì),可有效降低設(shè)備成本與功耗,擴(kuò)大傳輸距離。根據(jù)LoRaWAN的技術(shù)特征,設(shè)計(jì)基于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的升降機(jī)安全高度預(yù)警系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)采集車間各個(gè)升降機(jī)的高度狀態(tài),遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢升降機(jī)高度信息,當(dāng)高度值到達(dá)該作業(yè)允許的極限高度后自動(dòng)輸出報(bào)警信息。該系統(tǒng)提供了新的登高作業(yè)安全管理方式,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由LoRaWAN基站、終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、用戶服務(wù)器及應(yīng)用平臺(tái)組成,終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)以傳感設(shè)備為主,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至LoRaWAN基站。LoRaWAN基站用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與用戶服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸,網(wǎng)關(guān)從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)收集LoRa數(shù)據(jù)幀,并將這些數(shù)據(jù)重傳到用戶服務(wù)器,用戶服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理及分析處理。應(yīng)用平臺(tái)采用瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn),獲取終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息。正常情況下,處于活動(dòng)狀態(tài)的終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)作為傳感器部署在升降機(jī)指定位置,實(shí)時(shí)采集高度數(shù)據(jù),終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站,基站再將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證及數(shù)據(jù)幀去重。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與LoRaWAN基站兩部分。終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由供電單元、激光測(cè)距傳感器TF-Luna、低功耗MCU ATMEGA328P-MU及LoRaWAN模組RNDU490LAS組成。硬件框圖如圖2所示,其中MCU通過(guò)I2C連接傳感器TF-Luna,通過(guò)UART串口連接LoRa模組。

圖2 終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.1 供電單元設(shè)計(jì)

激光測(cè)距傳感器供電電壓5 V,而MCU與LoRa模組需要的供電電壓為3.3 V,故采用以兩節(jié)14 500鋰電池結(jié)合升壓電路組成的電池包作為電源進(jìn)行供電。設(shè)計(jì)了如圖3所示的穩(wěn)壓電路,輸出3.3 V,為MCU和LoRa模組供電,采用雙向瞬態(tài)電壓抑制器SMBJ18CA減小噪聲干燥,防止浪涌損害電路,采用穩(wěn)壓器SPX3819M5-L-3-3用于電壓轉(zhuǎn)換,輸出穩(wěn)定的3.3 V電平。

圖3 供電單元電路

2.2 控制單元及LoRaWAN通信單元設(shè)計(jì)

控制單元采用ATMEGA328P-MU,主要用于控制激光測(cè)距傳感器獲取高度信息,并連接控制LoRa模組向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。ATMEGA328P-MU是一款高性能低功耗的8位AVR RISC微控制器,結(jié)合了32kb ISP閃存、1024B EEPROM、串行可編程USART等,廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化、儀器儀表等領(lǐng)域。

LoRaWAN節(jié)點(diǎn)模塊采用銳米通訊的RNDU490LAS模組,該模組基于SEMTECH射頻集成芯片SX1278的射頻模塊,是一款高性能的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線收發(fā)器,具有功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),通過(guò)串口UART與控制單元連接。部分電路如圖4所示。

圖4 控制單元及LoRaWAN通信單元設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

為保證各層間正常通信,在軟件部分對(duì)終端節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用服務(wù)部分進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與上傳,并盡可能降低功耗,提升續(xù)航。

LoRaWAN采用星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu),架構(gòu)中的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明的連接點(diǎn),負(fù)責(zé)連接終端設(shè)備與中央服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IP連接,而終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)采用單跳通信,所有的節(jié)點(diǎn)都為雙向通信。為最大化終端設(shè)備電池壽命及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量,LoRaWAN 采用一種速率自適應(yīng)(ADR)方案來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸速率及每一終端設(shè)備的射頻輸出[4]。

LoRaWAN節(jié)點(diǎn)模塊的工作方式主要有3種,即A類、B類、C類。A類屬于異步通信,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成傳輸時(shí),另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)才會(huì)開始發(fā)起傳輸,避免數(shù)據(jù)碰撞的產(chǎn)生。A類模塊只有需要時(shí)才會(huì)進(jìn)行傳輸,大部分時(shí)間都是在休眠,所以A類節(jié)點(diǎn)模塊主要應(yīng)用于低功耗領(lǐng)域中。B類是在A類的基礎(chǔ)上加上了時(shí)間同步功能,其功能非常復(fù)雜。C類是除了需要發(fā)送數(shù)據(jù)以外,其他時(shí)間都是處于接收狀態(tài),故C類功耗很高。

為了保證終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳,降低系統(tǒng)功耗,設(shè)置LoRaWAN節(jié)點(diǎn)模塊工作在A類工作模式,開啟休眠定時(shí)器。圖5為終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作流程。

圖5 LoRaWAN終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作流程

具體流程包括:進(jìn)行系統(tǒng)初始化,包括Arduino庫(kù)、系統(tǒng)時(shí)鐘、串口的初始化及TF-Luna的I2C接口初始化。LoRaWAN節(jié)點(diǎn)初始化,讀取存儲(chǔ)在內(nèi)部Flash中的LoRaWAN參數(shù)信息(工作模式、頻段、設(shè)備地址等)并初始化。通過(guò)無(wú)線射頻發(fā)送OTAA入網(wǎng)請(qǐng)求,若基站收到請(qǐng)求,則返回入網(wǎng)成功信號(hào),節(jié)點(diǎn)收到該信號(hào)則入網(wǎng)成功。入網(wǎng)成功后,MCU向激光測(cè)距傳感器發(fā)送測(cè)距命令,激光測(cè)距傳感器工作在低功耗模式,當(dāng)收到命令時(shí)退出低功耗模式并進(jìn)行3次測(cè)距,取數(shù)值相近的兩個(gè)值的平均值作為最終測(cè)距值。MCU將測(cè)距值打包為L(zhǎng)oRaWAN數(shù)據(jù)幀并通過(guò)LoRaWAN節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送出去。所有模塊重新進(jìn)入低功耗模式,如果休眠定時(shí)時(shí)間到則退出低功耗模式,重新進(jìn)入工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

為了驗(yàn)證基于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的升降機(jī)安全高度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與穩(wěn)定性,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地信息傳輸實(shí)驗(yàn)。將一個(gè)LoRaWAN基站固定,多個(gè)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)置于車間各個(gè)位置,采用433 MHZ頻段,各節(jié)點(diǎn)定時(shí)3S向基站發(fā)送一次測(cè)距數(shù)據(jù)并打印日志,基站通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至管理服務(wù)器,根據(jù)管理服務(wù)器采集到的數(shù)據(jù)日志與終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的日志得到表1所示的車間內(nèi)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果。

表1 車間內(nèi)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

結(jié)果表明,隨著通信傳輸距離的增加,傳輸數(shù)據(jù)的丟包率隨之增加,通信延時(shí)的變化較小,120 m的丟包率達(dá)到7.0%,誤碼率達(dá)到3.44%,基本實(shí)現(xiàn)通信。200 m的丟包率達(dá)到87.4%,誤碼率達(dá)到53.97%,通信基本已經(jīng)中斷。查詢資料發(fā)現(xiàn),LoRa網(wǎng)絡(luò)的有效通信距離可達(dá)1800 m[5-6],分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)現(xiàn),車間內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備、管廊及墻體等容易對(duì)信號(hào)傳輸造成干擾,從而導(dǎo)致有效傳輸距離較短。實(shí)際使用的120 m傳輸半徑已完全覆蓋整個(gè)車間,單個(gè)基站即可滿足項(xiàng)目需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的升降機(jī)安全高度預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了LoRaWAN內(nèi)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、基站、網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信,滿足了安全高度預(yù)警系統(tǒng)的功能及性能要求。從系統(tǒng)總體、硬件、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明,該系統(tǒng)組網(wǎng)成本低,運(yùn)行情況良好,實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間升降機(jī)等登高作業(yè)工具高度數(shù)據(jù)的采集,滿足車間對(duì)登高作業(yè)的安全監(jiān)管要求。