基于Lora技術的城市供熱監(jiān)測系統(tǒng)設計

黨存祿 ，李永強

(1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省先進工業(yè)過程控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學國家級電氣與控制工程教學中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

集中供熱系統(tǒng)存在的問題是大部分系統(tǒng)處于半自動化運行或人工調(diào)節(jié)狀態(tài)，熱源、供熱管網(wǎng)和換熱站的運行數(shù)據(jù)依靠抄表和電話上報，整個系統(tǒng)的自動化程度和效率低下且往往伴隨著供熱中斷的現(xiàn)象，嚴重影響了居民的生活質(zhì)量。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術以及無線技術的快速發(fā)展，人們提出智慧城市概念[3]，城市的集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)也朝著自動化、科技化、智能化方向發(fā)展。為了解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)存在的問題與不足，需要采用先進的科學技術對集中供熱系統(tǒng)進行改造和提升。勞拉(long rang，Lora)技術是一種基于線性Chirp擴頻調(diào)制和前向糾錯編碼技術的新興廣域網(wǎng)技術[1]，具有功耗低、傳輸距離遠的特點，大大提升了接收端識別信號的靈敏度和信噪比(signal to noise ratio,SNR)，保證了信號傳輸?shù)聂敯粜院涂垢蓴_性。Lora技術對建筑物也具有更強的穿透能力，解決了某些地下管網(wǎng)或者地下室因信號差難以傳輸數(shù)據(jù)的問題。

本文選用Lora低功耗廣域網(wǎng)技術和上位機軟件對集中供熱系統(tǒng)的熱源、換熱站、管網(wǎng)和熱用戶的主要運行參數(shù)、管網(wǎng)信息、設備運行狀況進行動態(tài)監(jiān)測，從而優(yōu)化熱源的調(diào)度，保障供熱過程的安全、高效運行。

1 系統(tǒng)總體設計方案

城市供熱監(jiān)控系統(tǒng)總體由傳感器節(jié)點、網(wǎng)關、網(wǎng)絡服務器和PC軟件四部分構成。Lora模塊與各類傳感器、執(zhí)行器相連，采集供熱一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的壓力、流量、熱水溫度以及泵和閥門運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)微控制單元處理后經(jīng)無線收發(fā)器調(diào)制擴頻發(fā)送給網(wǎng)關。網(wǎng)關對其匯總解調(diào)，并將其上傳給網(wǎng)絡服務器和上位機。網(wǎng)關與終端之間遵循Lorawan協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡會話密鑰(NwkSkey)和應用中斷密鑰(AppSkey)來保證數(shù)據(jù)完整性。NwkSkey在終端設備與網(wǎng)絡服務器之間共享，用于加密和解密應用程序數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

2 系統(tǒng)硬件結構

2.1 傳感器節(jié)點模塊

傳感器節(jié)點模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及Lora終端F8L10T組成。F8L10T內(nèi)置高性能工業(yè)級芯片和無線收發(fā)器，支持速率自適應(adaptive ddate rate,ADR)算法、多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗、延長電池壽命。模塊提供5路I/O口，將I/O口配置成模擬量輸入，可實現(xiàn)A/D采集功能。F8L10T作為一種嵌入式無線終端，內(nèi)部結構按模塊可劃分為微處理器、電源管理模塊、射頻模塊、UART轉換模塊、內(nèi)存模塊及周邊電路。

2.1.1 電源管理模塊

Lora模塊由于使用較低的發(fā)射速率和定時喚醒模式，具有很低的功耗。考慮到本文供熱系統(tǒng)中的Lora設備要大多放在無法插座供電的供熱設備上，因而系統(tǒng)采用9 V的鋰電池對其供電。模塊芯片工作電壓為3.3 V。為確保電源供電穩(wěn)定、可靠且無噪聲，在電源的輸入端設計了一個線性穩(wěn)壓器。它采用AP2139AK-3.3TRG1貼片，具有輸出電壓穩(wěn)定、低輸出波紋、低噪聲的特點。降壓電路如圖2所示。

圖2 降壓電路

2.1.2 射頻模塊

射頻模塊采用CMT2380F32超低功耗射頻收發(fā)器，使用擴頻調(diào)制和前向糾錯技術。與傳統(tǒng)的頻移鍵控(frequency shift keying,FSK)、開關鍵控(on off keying，OOK)調(diào)制技術相比，Lora擴大了無線通信鏈路的覆蓋范圍，實現(xiàn)了遠距離無線傳輸，提高了鏈路的魯棒性。CMT2380F32支持高達+20 dBm的發(fā)射功率及-121 dBm的接收靈敏度，集成了豐富的外設，支持標準的UART、I2C和SPI接口，并支持多種數(shù)據(jù)包格式和編解碼方式、至多64位 Tx/Rx FIFO及高精度RSSI和多通道輸入12位ADC等。射頻模塊如圖3所示。

圖3 射頻模塊

圖3中，AS179為射頻開關。當管腳A使能高電平、管腳B使能低電平時，RF2打開進入接收模式，天線感應進來的射頻信號。經(jīng)π型電路處理以后，通過正交混頻電路變頻至中頻，由鏡像抑制濾波器濾波，限幅放大器進一步放大后送入數(shù)字域作數(shù)字解調(diào)處理。當電平B高A低時，調(diào)制數(shù)據(jù)由一個高效的單端功率放大器通過RFO管腳發(fā)射。輸出功率可以通過寄存器讀寫。

2.1.3 硬件復位

MCU控制三極管復位電路如圖4所示。

圖4 MCU控制三極管復位電路

由于工作環(huán)境復雜、工作時間長，模塊存在死機、假連接等異常狀況。出現(xiàn)異常時如何自動恢復，在設計模塊時必須充分考慮。F8L10T默認上電立即啟動，沒有開機和關機引腳，但是提供一個硬件復位管腳，數(shù)字輸入，低電平有效。由于模塊采用鋰電池供電，所以系統(tǒng)采用MCU控制RESET腳(復位)為低電平200 ms，使模塊硬復位，類似于處理器硬復位。

2.2 網(wǎng)關

網(wǎng)關選用內(nèi)置32位CPU系統(tǒng)和Lora通信模塊的F8926-L物聯(lián)網(wǎng)無線通信路由器。該網(wǎng)關配置有以太網(wǎng)接口模塊、交換機模塊、WiFi模塊以及蜂窩無線模塊，具有強大的數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉換功能。F8926-L網(wǎng)關數(shù)據(jù)接收靈敏度可達到-140 dBm，無論發(fā)射端是否使用同一頻率發(fā)射數(shù)據(jù)，只要不同的終端使用不同的擴頻碼，網(wǎng)關便可輕易識別，從而保證數(shù)據(jù)接收不收影響。這使得F8926-L網(wǎng)關具有較大的網(wǎng)絡容量，滿足了供熱管網(wǎng)覆蓋面積廣、監(jiān)測點多的要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 節(jié)點坐標定位

系統(tǒng)中節(jié)點坐標要寫入數(shù)據(jù)庫中，因此要收集節(jié)點坐標。本文先運用接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)測距原理測量建立信號衰減模型[2-7]，進而測量節(jié)點與上位機距離，再運用三邊定位法對其坐標進行定位。RSSI算法是運用傳輸損耗來進行測距的，傳輸損耗的計算是通過對發(fā)送功率和接收功率進行測量后進行計算的。該算法的優(yōu)勢在于不需要安裝額外的設備，成本小且容易實現(xiàn)。另外，Lora技術抗干擾能力及物體穿透力較強，信號傳播中受多徑反射的影響較小，測量的結果誤差相對較小，可實現(xiàn)精準定位。RSSI信號衰減模型為：

RSSI=A-10ηlog(d)+v

(1)

式中：A為常數(shù)；η為路徑損耗指數(shù)；d為發(fā)送端與接收端的距離；v為環(huán)境噪聲，其通常為均值為0的高斯分布隨機變量。

RSSI值距離擬合曲線如圖5所示。

圖5 RSSI值距離擬合曲線

以蘭州理工大學為例，本文設定電信大樓C513為基點，初始坐標為(0,0,20)，每隔20 m測量多個不同位置的RSSI值，通過求取其加權平均值抵消到環(huán)境噪聲的影響。RSSI值的測量要將F8L10T模塊轉換到AT模式并顯示其信號強度值，通過串口工具下發(fā)相同的數(shù)據(jù)包便可得其信號衰減值。上位機與終端距離在20 m之內(nèi)時，RSSI值達到峰值117，隨后隨著距離的增大，RSSI值呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)型衰減。當距離值超過700時，RSSI值維持在50而不隨距離增大而改變。

通過RSSI測量值散點圖，運用最小二乘法擬合信號衰減模型距離曲線作為校園環(huán)境信號衰減模型:

RSSI=115-2.261log(d)

(2)

運用均值RSSI數(shù)值測量信號距離的公式為：

(3)

根據(jù)三邊定位法，待定位節(jié)點收到三個不同的已知坐標的應用節(jié)點發(fā)送相同數(shù)據(jù)包，測得其接收端RSSI值。根據(jù)信號衰減模型測出距離，接著運用三邊定位法計算節(jié)點坐標。待測節(jié)點與3個已知錨節(jié)點的未知關系如式(4)所示：

(4)

式中：(X,Y,Z)為待測節(jié)點坐標；(X1,Y2,Z3)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)分別為3個錨節(jié)點坐標數(shù)據(jù)。

化簡后，轉換為矩陣形式：

QX=B

(5)

式中：Q為3×3維矩陣；X為坐標向量;B為3維向量。

(6)

X=[XYZ]T

(7)

(8)

則待測節(jié)點坐標X=Q-1B。

3.2 定時激活模式

無線網(wǎng)絡應用采用低功耗操作模式，即空中喚醒模式：即使節(jié)點處于休眠狀態(tài)，當節(jié)點需要工作時，也可以通過無線方式直接喚醒該節(jié)點。空中喚醒的基本原理是：喚醒發(fā)起端在有效數(shù)據(jù)前頭加一段較長的前導碼，待喚醒端的無線節(jié)點進行周期性喚醒，監(jiān)聽網(wǎng)絡。一旦捕捉到前導碼就進入正常的接收流程，若沒有則立即休眠，等待下一次喚醒。定時激活模式如圖6所示。

圖6 定時激活模式

數(shù)據(jù)交互流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)交互流程圖

由于終端和網(wǎng)關共享32個信道，且均遵循Lorawan協(xié)議，所以終端通信模塊與網(wǎng)關通信模塊設計近似。這就為定時手法收發(fā)提供了硬件基礎。網(wǎng)關周期性發(fā)送前導碼，終端周期性地打開接收窗口，監(jiān)聽到前導碼后，解析下行鏈路幀地址與終端設備地址是否匹配、有效信息是否完整，確定無誤后開始信道檢查、發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關承擔網(wǎng)絡中樞的功能，將終端發(fā)送的數(shù)據(jù)打包封裝傳輸給上位機監(jiān)控軟件反映終端管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，并將其傳輸?shù)皆品掌鬟M行數(shù)據(jù)備份。管理人員根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進行反饋操作，下發(fā)的數(shù)據(jù)包由網(wǎng)關解析為感知層協(xié)議能夠識別的控制指令再下發(fā)給終端，完成一次完整的數(shù)據(jù)交互。

3.3 組態(tài)界面設計

網(wǎng)關和主機通過RS-485相連，網(wǎng)關接收傳感器節(jié)點發(fā)送的采集數(shù)據(jù)，并通過RS-485串行總線實時發(fā)給主控機。上位機程序收集供熱系統(tǒng)溫度、流量、壓力等信息，存儲于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。在監(jiān)控界面，可以實現(xiàn)歷史曲線、報表查詢、報警顯示等功能。一旦某項數(shù)據(jù)超出閾值，上位機程序會進行蜂鳴器報警，并以短信等方式通知管理人員，以便管理人員實時作出決策，調(diào)度人力物力及時排除故障，防止意外事故的發(fā)生。

4 系統(tǒng)測試與運行

考慮到溫度、壓力、流量等采集信號均為低頻信號且Lora模塊模擬量采集口均接收0～5 V的電壓信號，本文利用正弦波波表采用單片機控制程序來控制PCF8591芯片，使其輸出一個正弦波來模擬采集信號。PCF8591是一個單電源。低功耗的8位CMOS數(shù)據(jù)采集元件， AIN0～3為4路模擬量輸入，AOUT用于模擬量輸出，AO、A1、A2用于編程硬件地址，單片機通過I2C總線發(fā)送3個字節(jié)與PCF8591進行通信。第一個字節(jié)與EEPROM類似為器件地址字節(jié)，前七位代表地址，最后一位為讀/寫方向。第二個字節(jié)為控制字節(jié)，用于控制PCF5891的功能，這一字節(jié)第6位為D/A使能位，設置為1以實現(xiàn)模擬電壓輸出功能，第4位和第5位可將PCF8591的4路模擬輸入配置為單端模式或差分模式。第三個字節(jié)為D/A數(shù)據(jù)寄存器字節(jié)，表示模擬輸出的電壓值。由于信號為低頻信號，程序源碼中選取了32個點建立了正弦波表，定時器計數(shù)頻率設定為1 Hz。核心控制程序如下：

Void main()

{EA=1; ConfigTimer0(1);

pWave=SinWave; SetWaveFreq=(0.03125) }

Void SetDACOut(unsigned char val)

{

I2C Start();

If(!I2C Write(0x48<<1))

{I2C Stop(); return();}

I2C Write(0x40);

I2C Write(val);

I2C Stop();

}

Vref為基準源，用杜邦線將Vref與外圍J17雙排插針上的+5 V CC短接，可以產(chǎn)生一個+5 V的基準電壓，再將AOUT端口和GND插針分別接在F8L10T的I/O口和GND口便可實現(xiàn)信號的采集。報警表示當系統(tǒng)中某些量的值超過所規(guī)定的臨界值時，系統(tǒng)自動生成相應的警告信息，表明數(shù)量值已超限值，提醒操作人員。由于溫度、壓力和流量均為同一種類型的信號，測試過程中僅建立一個iotest的數(shù)據(jù)庫變量便可驗證整個系統(tǒng)的運行狀況。系統(tǒng)測試時，運用單片機供給采集終端連續(xù)變化的模擬電壓信號，數(shù)據(jù)庫變量iotest的報警上限值設為4.2 V，下限值設為1 V。經(jīng)測試，上位機監(jiān)控界面運行日志中能夠?qū)崟r顯示終端設備信息、系統(tǒng)工作模式及網(wǎng)絡連接狀況。當終端采集值超出報警閾值區(qū)間時，報警窗口事項閃爍顯示并且蜂鳴器發(fā)出警報。云端數(shù)據(jù)庫可有效調(diào)用歷史運行數(shù)據(jù)及歷史曲線，運用Android客戶端也可訪問網(wǎng)絡服務器監(jiān)測供熱官網(wǎng)運行狀況。測試證明，該系統(tǒng)不僅可以有效地采集電壓信號并實現(xiàn)報警功能[8-10]，而且能夠正常存儲和調(diào)離數(shù)據(jù)。

5 結束語

本文設計并開發(fā)了基于Lora技術的城市供熱監(jiān)控系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體設計、硬件選擇、軟件開發(fā)及系統(tǒng)運行測試4個方面對系統(tǒng)進行綜合闡述。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡滲透力差和丟包率較為嚴重的缺點，實現(xiàn)了對供熱系統(tǒng)溫度、流量、壓力參數(shù)的實時監(jiān)控及報警功能。系統(tǒng)對于合理調(diào)度熱力資源、節(jié)能減排具有重要意義。