基于LoRa遠(yuǎn)距離傳輸?shù)年帢O保護(hù)電壓測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院 天津 300300

機(jī)場(chǎng)油罐由于微生物存在等種種原因，極易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致油品的損失，甚至導(dǎo)致油罐的損壞。金屬腐蝕后電位會(huì)發(fā)生變化，因此，檢查油罐是否發(fā)生腐蝕損壞的常用手段便是通過對(duì)電位進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)階段，多數(shù)航油罐區(qū)的陰極保護(hù)測(cè)試仍然采用人工檢測(cè)的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且油庫(kù)為防爆區(qū)域，人員進(jìn)入罐區(qū)進(jìn)行檢測(cè)存在安全隱患。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有能力結(jié)束人工檢測(cè)的傳統(tǒng)方式，轉(zhuǎn)變成省時(shí)省力，安全便捷且高效的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式。若使用常見的無線傳輸方式，功耗較高，需要鋪設(shè)線路以供電。本論文基于LoRa遠(yuǎn)距離傳輸?shù)年帢O保護(hù)電壓測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)。

1 LoRa無線傳輸方式

LoRa遠(yuǎn)距離傳輸通信系統(tǒng)全稱為L(zhǎng)ong Range Radio，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗長(zhǎng)距離無線通信技術(shù)，由美國(guó)Semtech公司于2013年8月發(fā)布。[1]它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗下，比其他方式傳輸距離更遠(yuǎn)，可達(dá)十幾公里，城市1到2公里，郊區(qū)可達(dá)20km，電池壽命理論上可以用10年，實(shí)現(xiàn)了低功耗與遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。在同樣的功耗下，比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離多至3到5倍。總體來說，LoRa技術(shù)提高了信號(hào)接受的靈敏度，能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸和大范圍覆蓋，具有較強(qiáng)的鏈路預(yù)算，經(jīng)常用于電池供電的終端設(shè)備。[2]我們通過查閱資料比較了LoRa、ZigBee、WiFi和BLE的各種特性，最終綜合考慮傳輸距離、功耗、成本等原因認(rèn)為L(zhǎng)oRa是最合適的無線通信方式。LoRa在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域都取得了不錯(cuò)的成果，已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

2 測(cè)量電壓模塊

電壓測(cè)量的范圍和精度是此裝置的重點(diǎn)部分。測(cè)量常用的測(cè)量電路有3種實(shí)現(xiàn)方式:1、通過運(yùn)放、單極性ADC芯片構(gòu)成測(cè)量電路；2、采用雙極性ADC芯片；3、采用電壓測(cè)量模塊。

方案1:需要通過運(yùn)放電路對(duì)輸入電壓進(jìn)行比例放大，將輸入電壓轉(zhuǎn)換到ADC芯片量程范圍內(nèi)。根據(jù)任務(wù)目標(biāo)輸入電壓范圍為正負(fù)5V，因此運(yùn)放需要雙電源供電，增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。同時(shí)雙電源產(chǎn)生電路會(huì)引入噪聲，影響測(cè)量精度。

方案2:采用雙極性ADC芯片大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。但是在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該ADC芯片在測(cè)量低電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

方案3:采用成熟的電壓測(cè)量模塊，測(cè)量范圍+-5V，0.02%的基本精度，測(cè)量分辨率可達(dá)0.001V。

本論文采用成熟的電壓測(cè)量模塊，其擁有很高的精度以及測(cè)量分辨率，是一種比較復(fù)雜，但是準(zhǔn)確度很高的測(cè)量方式。該模塊具有一下特性:

·四位半測(cè)量精度，直流電壓0.02%基本精度。

·0°C-45°C寬范圍工作溫度，在18°C-28°C之外部分的附加測(cè)量誤差僅為0.01%/°C。

·電源與通信電路全隔離。

·可設(shè)置的測(cè)量速度，3次/s，6次/s，12次/s。

3 電池

數(shù)據(jù)模塊所采用的是干電池供電，不需要過高電壓就可以正常工作，因?yàn)樵搨鬏斚到y(tǒng)應(yīng)用于燃油儲(chǔ)存區(qū)，油品儲(chǔ)存區(qū)需要嚴(yán)防火花和電流的產(chǎn)生，因此，油罐區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡可能避免電源的出現(xiàn)，避免意外發(fā)生。并且干電池既便宜便捷，又可以有效減少罐區(qū)內(nèi)電源的出現(xiàn)，電池也足夠正常使用一年以上，更換也十分簡(jiǎn)單，因此，干電池便成了為數(shù)據(jù)采集模塊供電的最佳選擇。

4 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用超低功耗處理器的單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下特性:

·1.65V-3.6V電源輸入

·-40°C-85°C工作溫度范圍

·待機(jī)模式下平均耗電量0.3μA

·待機(jī)模式下開啟RTC平均耗電量0.9μA

·停機(jī)模式下平均耗電量0.57μA

·停機(jī)模式下開啟RTC平均耗電量1.2μA

·低功耗模式下運(yùn)行電流9μA

·正常運(yùn)行模式下電流214μA/MHz

·喚醒時(shí)間小于8us

5 軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量降低系統(tǒng)功耗，在沒有測(cè)量任務(wù)時(shí)關(guān)閉測(cè)量電路電源，單片機(jī)和LoRa模塊均進(jìn)入休眠模式。當(dāng)LoRa模塊接收到數(shù)據(jù)后喚醒單片機(jī)，單片機(jī)接收并解析數(shù)據(jù)，當(dāng)收到測(cè)量命令后，開啟測(cè)量電路部分電源，向測(cè)量模塊發(fā)送測(cè)量命令，待測(cè)量模塊返回測(cè)量結(jié)果后單片機(jī)通過LoRa模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件。

6 誤差分析

將該電壓測(cè)量裝置與福祿克公司17B萬用表進(jìn)行電壓測(cè)量比較，得到下表所示結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

由此可得，該裝置的測(cè)量值與福祿克17B萬用表測(cè)量值誤差在正負(fù)1%以內(nèi)。

7 結(jié)論

1)本論文提出了基于LoRa遠(yuǎn)距離傳輸?shù)年帢O保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其各參數(shù)調(diào)節(jié)都達(dá)到了預(yù)期要求。

2)通過對(duì)于不同無線傳輸方式的傳輸距離、功耗、成本等的比較，選用了LoRa無線傳輸方式，能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離低功耗的目的。

3)通過測(cè)試比較，發(fā)現(xiàn)本裝置與福祿克萬用表的測(cè)量誤差控制在正負(fù)1%內(nèi)，誤差較小，精度準(zhǔn)確。