基于LoRa技術的冷卻塔自組網遠程監控系統*

江偉沖 黃祖健 譚小衛 鄧偉軍

基于LoRa技術的冷卻塔自組網遠程監控系統*

江偉沖1黃祖健1譚小衛2鄧偉軍2

（1.廣東新菱空調科技有限公司 2.新菱空調（佛岡）有限公司）

為滿足冷卻塔實時化、組網化及遠距離監控的需要，設計一款基于LoRa技術的冷卻塔自組網遠程監控系統。采用LoRa技術實現冷卻塔遠程組網通信，降低了監控成本。與傳統的冷卻塔監控裝置比較，該系統具有布設靈活、信號穿透能力強、低功耗和低成本等優點，具有較好的推廣前景。

冷卻塔；LoRa；物聯網；遠程監控

0　引言

冷卻塔是循環冷卻系統的末端冷卻裝置，亦是重要組成部分[1]，其性能好壞直接影響整個冷卻系統的效率。冷卻塔安裝環境較為惡劣，且缺乏便捷的監控手段，運行人員無法對其進行有效監管，因此實現冷卻塔的實時與遠程監控具有重要意義。近年來，得益于網絡化測控技術的快速發展，冷卻塔監控技術也日漸成熟。天津科技大學施曉寬等[2]采用PLC控制器實現冷卻塔風機的實時監控，其遠程監控通過工業以太網實現。該研究重點在于風機故障遠程監測，不涉及性能監控。華南理工大學劉文浩等[3]設計了冷卻塔熱力性能監控系統與遠程監控平臺，該監控系統通過監控裝置采集現場各類參數，與計算機連接后通過Internet或3G模塊與網絡服務器建立連接，從而實現冷卻塔的實時監測與遠程監控。但該系統在實際布設中靈活性差、監控成本較高，且沒有實現冷卻塔的組網化集中管理。

隨著物聯網技術的發展，冷卻塔遠程監控逐漸往更智能的無線、組網化集中管理方向發展。本文在前期積累的冷卻塔參數測量與優化控制技術的基礎上[4-8]，研究基于LoRa技術[9-12]的冷卻塔遠程組網監控，搭建監控系統的硬件框架，并對關鍵模塊進行軟硬件設計。

1　監控系統框架設計

1.1　監控系統設計目標

冷卻塔遠程監控系統設計核心是實現冷卻塔組網化集中管理的同時滿足用戶正常監控需求，主要達到以下目標：

1）自動化，實現參數自動采集、傳輸和存儲；

2）靈活化，監控節點滿足靈活布設要求，且信號傳輸穩定；

3）網絡化，實現冷卻塔組網化監控，滿足冷卻塔監控中心集中管理；同時用戶可通過網絡連接到監控中心，對各自設備進行信息查閱、控制等操作。

1.2　監控系統框架及工作原理

根據冷卻塔遠程監控系統的設計目標，基于LoRa技術的冷卻塔遠程監控系統框架如圖1所示，由監控節點網絡、LoRa基站、監控中心和用戶服務器等組成[13]。

監控系統工作原理：1）通過LoRa組網透傳模塊的自組網功能，建立一主多從的監控節點網絡；2）主監控節點與LoRa基站直接通過LoRa網絡傳輸主/從監控節點采集的參數信息；3） LoRa基站將采集的參數信息通過Wi-Fi上傳到監控中心；4）監控中心對多個監控節點進行集中管理；5）用戶通過Internet等網絡訪問監控中心，查閱各自監控節點的信息，并修改控制參數；6）修改后的指令經監控中心，依次通過Wi-Fi、LoRa傳輸方式，反饋到監控節點網絡，實現控制參數的修改。

圖1　基于LoRa技術的冷卻塔遠程監控系統框架

2　監控系統實現

監控系統的實現關鍵在于數據的準確采集與傳輸，及其在監控界面的清晰化呈現。

2.1　感知節點硬件設計

監控節點包括感知節點和執行單元。感知節點負責采集冷卻塔運行參數信息、環境參數信息和電參數信息；執行單元接收用戶端發出的指令后，對冷卻塔的執行機構進行調控，主要通過變頻調節實現風機和水泵的控制。

冷卻塔處于較惡劣的環境，通常需要與風機、水泵控制室分開布置。為提高監控裝置現場布設的靈活性，將感知節點（各類傳感器及其處理器）和執行單元分開布置。感知節點硬件架構如圖2所示。各模塊作用如表1所示。

表1　感知節點各模塊作用

圖2　感知節點硬件架構[3]

2.2　監控節點自組網設計

本文采用LM400T工業級LoRa組網透傳模塊，模塊通過透明傳輸協議傳輸，借助其自組網功能，無需復雜無線傳輸協議[14]，即可一鍵搭建監控節點網絡。自組網功能命令如表2所示。

表2　自組網功能命令

模塊自組網功能默認關閉，當自組網使能字節設置為1后，模塊將打開自組網功能。節點類型0和1分別表示該節點為主監控節點和從監控節點。

自組網功能激活后，建立一主多從的星形網絡拓撲結構，主監控節點自動選擇周圍未被占用的物理信道和調制參數，形成獨立網絡，并自動給每個從監控節點分配一個唯一的本地網絡地址，使其能夠加入網絡與主監控節點通訊。

2.3　監控中心界面設計

基于LoRa技術的冷卻塔遠程監控系統的軟件設計關鍵是監控中心軟件平臺。監控中心是連接監控節點與用戶之間的橋梁，其設計的合理性直接影響用戶操作的便捷性體驗。如圖3所示，監控中心軟件平臺界面有設計參數模塊、實時監控參數模塊、運行曲線與圖表繪制模塊以及節點管理模塊。平臺管理人員可通過自搜索功能添加監控節點，實現多個冷卻塔的集中管理。

3 系統應用

本文設計的基于LoRa技術的冷卻塔自組網遠程監控系統在某地鐵站的3臺冷卻塔進行實際現場試點應用，經應用驗證表明：該系統監控節點現場布設靈活、操作便捷，有效減輕維護人員工作量，提高工作效率。

4　結語

本文設計了一種基于LoRa技術的冷卻塔自組網遠程監控系統，主要內容包括：

1）對監控節點進行硬件設計，實現冷卻塔參數的準確采集；

圖3　監控中心平臺界面

2）采用低功耗的LoRa無線通信模塊實現監控節點的自組網及其監控數據的遠距離無線傳輸?，F場應用結果表明：該系統解決了冷卻塔的組網化集中管理需求，可滿足客戶的監控要求。

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Cooling Tower Self-Organized Network Remote Monitoring System Based on LoRa Technology

Jiang Weichong1Huang Zujian1Tan Xiaowei2Deng Weijun2

(1. Guangdong Sinro Air-conditioning Technology Co., Ltd. 2. SINRO Air-Conditioning (Fogang) Co., Ltd.)

In order to meet the needs of real-time cooling, networking and remote monitoring of cooling towers, a remote monitoring system for cooling tower self-organizing network based on LoRa technology is designed. LoRa technology is used to realize remote networking communication of cooling towers, which reduces monitoring costs. Compared with the traditional cooling tower monitoring device, it has the advantages of flexible layout, strong signal penetration capability, low power consumption and low cost, and has a good promotion prospect.

Cooling Tower; LoRa; Internet of Things; Remote Monitoring

江偉沖，男，1982年生，專科，工程師，主要研究方向：智能測量與節能控制技術。E-mail: jwc@sinro.com

黃祖健，男，1962年生，高中，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節能控制技術。

譚小衛，女，1971年生，本科，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節能控制技術。

鄧偉軍，男，1978年生，?？?，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節能控制技術。

國家重點研發計劃項目（2017YFC0704100）