基于LoRa 和ARM 的電機實時溫度在線監測系統研究

姜拴雷，程維明，陳凱，吳亞旗

（1.201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院；2.201900 上海市 上海悍鷹電氣有限公司）

0 引言

隨著技術的進步和各種器件成本的逐步降低，電機在線監測技術應運而生。目前，基于光纖通信、GPRS 及以太網技術設計的電機在線監測系統已然出現[1-2]，但是其組網復雜、成本高，傳統的無線通信技術如WIFI，zigbee 通信距離較近，信號數據在傳輸過程中衰減速度快。并且，由于中大型電機工作環境惡劣，信號環境雜亂，周邊的大功率生產設備產生較大的磁場和電場干擾，使得現有的工廠數據傳輸技術的應用效果并不理想。因此，必須選擇其他合適的通信方式。

LoRa 是美國Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻調制技術的遠距離無線傳輸方案，可在低發射功率下最大程度兼顧遠距離傳輸，并且在復雜環境下，其融合的前向糾錯編碼技術能夠確保數據采集傳輸的準確性[3]。LoRa 的出現解決了電機在線監測所要求的成本低、抗干擾能力強及傳輸距離遠等問題。

為了實現對中大型電機多路溫度參數的實時監控，設計了一套基于LoRa 的電機多參數在線監測系統。本系統利用STM32F103 單片機采集溫度傳感器獲取的電機三相繞組的表面溫度、軸承表面溫度、進/出風口溫度、機殼表面溫度及鐵芯表面溫度，數據經過處理后通過LoRa 模塊發送到上位機進行數據及波形顯示、數據存儲、歷史數據查詢、上限閾值報警、溫度補償。

1 傳感器的選擇與安裝

中大型電機溫度的測量針對不同部位采用不同的檢測方法。中大型電機用電阻法測量電機三相繞組時存在2 個問題：一是對于用電解銅線做的繞組，只有當溫度在-50～150℃范圍內時，電阻值與溫度值之間才滿足一定的函數關系[4]；二是用電阻法測得的是繞組的平均溫度，不能反映最熱點部位的溫度或溫升,并且是斷電測量，也不能實時反映電機運行過程中的狀態。紅外測溫法適合于現場巡檢測溫，僅能測量表面溫度，不能測量電機內部溫度，并且考慮到用紅外測溫的成本和穩定性等因素，紅外測溫法并不適合電機的現場在線監測。

中大型電機的三相繞組、鐵芯、軸承表面一般已埋置好Pt100 鉑電阻傳感器，因此采用埋置檢溫計法，而進/出風口溫度以及機殼表面溫度采用溫度計法。

鉑熱電阻具有測量范圍大、性能穩定及示值復現性高等優點，因此，在工業用溫度傳感器中應用廣泛，工業鉑電阻測溫范圍為-200～850℃，它在0℃的電阻為100 Ω[5]，每變化1℃，電阻值變化3.908 7×10-3Ω，因此，采用Pt100 鉑熱電阻作為電機溫度測溫元件。根據設計需求，進出風口溫度以及機殼表面溫度采用磁吸式鉑電阻溫度傳感器。

2 系統總體設計

本系統主要用于對電機在工業現場運轉過程中的狀態進行實時監測。電機溫度無線采集系統如圖1 所示，主要由溫度信號調理電路、下位機、LoRa 發送和接收電路及上位機組成。

溫度采集所選用的Pt100 鉑電阻傳感器，電阻的變化經過調理電路轉化為電壓輸出到下位機，下位機將采集到的數據經過處理后發送給LoRa 發送模塊的雙環形FIFO 緩沖區[3]，LoRa—USB 接收模塊實時與上位機實現數據傳輸，在上位機軟件實現電機的在線監測。測量參數如表1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Overall system diagram

表1 測量參數及監測部位Tab.1 Measurement parameters and monitoring parts

上位機軟件在美國國家儀器公司（NI）的軟件LabVIEW 開發環境中設計，實現數據采集、波形顯示、溫度補償、數據保存與查詢、上限溫度閾值設置及報警等功能，上位機軟件界面簡潔，操作簡單。

3 系統硬件設計

3.1 電源穩壓模塊

圖2 為電機溫度在線監測系統電源穩壓模塊電路圖，采用LM2596S 電源穩壓模塊。LM2596S是一款3 A 電流輸出降壓開光型集成穩壓芯片，具有1.23 V 的基準穩壓器和150 kHz 的固定頻率振蕩器，該系列芯片具有保護電路、電流限制及熱關斷電路完善等功能，通過該器件構成的高效穩壓電路只需要很少的外圍器件。

圖2 電源穩壓模塊Fig.2 Power regulator module

輸入電壓采用DC12 V/1 A 的電源適配器將電壓經過濾波后輸入到LM2596S 開關穩壓電路，由于電源適配器輸出的電壓紋波小，故采用的濾波電容較小。LM2596S 的4 引腳作為反饋引腳，利用調整精密可調電位器VR1 將DC12 V 電壓調整到5 V 附近，LC 濾波電路電壓穩定到5 V 為傳感器提供電源。另外，5 V 電壓通過AMS1117-3.3 轉換后為微控制器提供電壓。

3.2 溫度信號調理電路

溫度信號調理電路采用鉑電阻和其他3 個匹配電阻構成惠斯普電橋對溫度進行測量。任意一路溫度信號調理電路如圖3 所示。為保證電橋輸出電壓信號的穩定性，MCP1541 為信號變換電路中的單臂電橋提供4.096 V 精確電壓基準，該器件采用先進的CMOS 電路和EPROM 微調技術的組合，初始精度最大能夠達到1%，并且這款芯片具有低輸出噪聲及低溫度漂移等特性。基準電壓的穩定和準確性決定了系統的準確性，并且考慮到為減少輸入電壓的瞬時噪聲，在電源輸入端外接一個官方推薦的0.1μF 的旁路電容，負載電容C02 是用來穩定電壓基準。

電橋電路將電阻的變化率轉化為電壓差分信號輸出到AD627 放大電路[6]，經過低通濾波后輸入到下位機采集節點模數轉換的I/O 口。電橋的一個橋臂VR2 采用可調電阻，通過調節R2 可以調整輸入到運放的差分信號的大小，常用于調整零點。在系統中此電阻大小決定監測系統溫度的最低值，即為-20 ℃，對應的電阻值為92.16 Ω。運算放大器AD627 的反饋電阻R8 決定微弱電壓的放大倍數。

圖3 溫度信號調理電路Fig.3 Temperature signal conditioning circuit

3.3 下位機

下位機選用STM32F103ZET6 芯片，它是基于ARM Cortex-M3 的微控制器。STM32F103ZET6的CPU 工作頻率為72 MHz，外設包括：512 K字節的Flash，64 K 字節的數據存儲器、5 路USART、8 個16 位定時器、112 個通用GPIO 口引腳、12 位16 通道的模數轉換、76 個中斷（16個內核中斷，60 個可屏蔽中斷）以及12 通道DMA 控制器等，能夠應用于各種復雜多變的監測控制場合，滿足本系統的設計研發應用要求[7]。

3.4 LoRa 數據通信

LoRa 數據通信采用SX1278 無線傳輸模塊，考慮到車間內環境復雜及干擾嚴重的問題，匹配高增益吸盤天線，工作頻率為433 MHz，在通信功能下，包含一般模式、喚醒模式、省電模式及信號強度模式，模塊處于配置功能下通過發送AT 指令設置通信模式。下位機USART2 的PB10及PB11 引腳用于接收RXD 及TXD 引腳輸出的TTL 串口數據，AUX 作為指示模塊工作狀態引腳接下位機PA4 外部中斷輸入引腳，VCC 選擇3.3～5.0 V 供電。

4 系統程序設計

4.1 下位機測溫軟件實現

下位機以STM32F103ZET6 單片機為核心，通過溫度信號調理電路將Pt100 鉑電阻信號轉化為電壓信號進行溫度數據采集。下位機基于DMA 方式實現8 路模擬溫度信號的實時數據采集，根據通道數量和采集的點數配置相應數目的連續存儲單元。為保證采集數據的平滑性，將采集到的數據依次經過滑動濾波處理，LoRa 模塊將打包好的數據上傳至上位機。下位機主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 下位機程序流程圖Fig.4 Flow chart of lower computer program

4.2 數據包程序設計

由于該監測系統長期在工業現場環境下運行，工作環境惡劣，周邊的大功率生產設備產生較大的磁場和電場干擾，信號環境雜亂[8]，數據在無線傳輸過程中會有丟包及誤碼情況發生，導致PC 端電機監測軟件誤報警。為防止此情況的發生，將其設置成如表2 所示的數據包格式。下位機將采集完成的一組溫度數據與幀頭對應的ASCII 碼經過異或校驗后作為校驗字節附加到數據包的幀尾，轉換完成的一幀數據利用LoRa 技術和上位機通信。

表2 數據包格式Tab.2 Packet format

校驗字節的計算方式是將數據包中的幀頭和數據區每個字節進行異或校驗，校驗公式為

4.3 LoRa 模塊程序設計

LoRa 模塊設計采用高效的ISM 頻段射頻SX1278 擴頻芯片，模塊的工作頻率為410～441 MHz，以1 MHz 頻率為步進信道，共32 個信道，每個信道有65 536 個地址。通過AT指令配置模塊傳輸參數，上下位機之間采用透明傳輸的方式，傳輸波特率為9 600 b/s，射頻發射功率為20 dBm，空中速率為19.2 kb/s，模塊地址選擇1，通信信道1。

下位機上電時，時鐘芯片默認使用內部高速時鐘。上電之后，下位機根據配置使用精度高的外部時鐘[9]，然后進行系統的初始化，對下位機串口通信波特率、校驗位等進行配置。LoRa 模塊初始化及配置程序如下：

LoRa_Init();//LoRa 初始化

LoRa_Set();//LoRa 配置

Aux_Int(1);//設置LoRa_AUX 上升沿中斷

模塊根據MD0 的配置與AUX 引腳的狀態會進入不同的功能。AUX 用于無線收發緩沖指示，當LoRa 模塊開始發送一幀用戶數據時，AUX 引腳輸出高電平，此時，單片機響應中斷服務函數，設置下降沿觸發，當模塊把所有數據通過RF 芯片并啟動發射后，AUX 輸出低電平，表明1 幀數據已經發送結束，LoRa_AUX 中斷服務函數如下：

4.4 PC 端上位機軟件設計

上位機軟件采用基于G 語言的LabVIEW開發，實現電機在運行過程中的數據及波形顯示、信號分析和處理、溫度補償、數據保存與查詢以及上限閾值報警的功能[10]，系統根據運行日期自動創建Excel 數據庫，并實時存儲采集的數據。

如圖5 所示，PC 端電機監測界面包括主界面、波形顯示界面、參數設置界面及歷史數據界面。主界面中主要是串口選擇的設置、8 路溫度數據的實時在線顯示、用8 個布爾燈對系統運行狀態的監測以及查詢某天或某時間段電機運行過程中的數據，并在歷史數據界面顯示查詢數據。波形顯示界面用于實時在線顯示電機的運行狀態曲線，設置界面不僅可以設置溫度上限報警閾值，也可對采集的溫度數據進行非線性補償。

圖5 PC 端電機監測軟件主界面Fig.5 Main interface of PC terminal motor monitoring software

5 結論

本文提出了一種基于LoRa 技術與單片機的電機溫度在線監測系統，利用STM32F103 單片機作為控制核心，實時采集溫度傳感器及其信號調理電路獲取的電機溫度數據。采集的數據在下位機經過濾波等處理后，通過LoRa 模塊的擴頻調制技術發送到上位機LoRa—USB 接收模塊，在上位機軟件實現數據的分析處理、溫度補償、數據保存與查詢、圖形化表達以及上限閾值報警等功能。與傳統電機溫度監測系統相比，本系統具有良好的抗干擾性、運行穩定性，并且傳輸距離遠、可擴展性強，PC 端電機監測界面友好直觀，各操作界面之間可方便切換。有助于解決數據傳輸過程中實時性、精確性的問題及防止電機故障情況的發生。