基于物聯網的紡織車間監測系統

陳 悅，彭天然

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

紡織品會受到環境溫濕度的影響，其物理特性和機械特性由于溫濕度的改變都將發生不同程度的改變。根據紡織車間中所使用的各類生產資料主要情況及特點，需實時測定其溫濕度和其他工作狀態指標，并進行有效控制。LoRa無線通信技術具有一系列優勢，主要包括：較高的接收靈敏度，使網絡的可靠性明顯增加；具有比較低的功耗等。本文提出一種以物聯網為基礎，充分運用LoRa無線通信技術的紡織車間監測系統，幫助紡織車間實現精準監測，使得車間智能化水平大幅提高[1-3]。

1 系統總體設計

圖1詳細介紹了系統的總體結構。應用層、傳輸層以及感知層等共同構成了物聯網結構。在紡織車間中安裝的監測系統由監測節點組成感知層，其主要功能是采集數據；由LoRa網關與中繼器構成傳輸層，其主要功能是匯集監測點所采集的數據和延長數據傳輸距離。LoRa網關相對于藍牙、ZigBee、WiFi等設備，既可以滿足低功耗的要求，又可以實現遠距離傳輸，綜合性能更優。LoRa無線通信可以由LoRa網關轉換成RS 232有線通信，上位機接收傳送的數據。由上位機監測平臺構成應用層，利用物聯網平臺實現數據的綜合性處理與人機交互[4]。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

意法半導體公司推出的STM32F103ZET6單片機可工作于-40～105 ℃的環境，供電電壓最高僅為3.6 V，功耗低，適用范圍廣。設計時，監測點、中繼器、LoRa網關采用STM32F103ZET6單片機作為控制芯片，為系統各模塊供電。

2.1 監測節點設計

監測節點應具有采集數據信息的能力，根據圖2可知，環境監測點由按鍵電路、報警電路、LoRa通信模塊、HTU21D溫濕度傳感器以及STM32F103ZET6等組成。溫濕度傳感器HTU21D尺寸小、精度高、功耗低、性價比高，適用于資金受限，但需要大范圍使用溫濕度傳感器的電路[6-7]。

圖2 環境監測點電路

2.2 中繼器設計

在較大的范圍內，中繼器可傳輸所監測數據至LoRa網關之中。其主要功能為對數據進行中轉傳輸，所以設計2個LoRa模塊，其中之一主要被用來實現中繼器與監測點間的相互通信，另一塊主要被用來實現中繼器和LoRa網關間的相互通信。中繼器通信原理如圖3所示，2個不同的信道里有著互不干擾的2個通信過程，監測點和中繼器間的通信通過信道1實現，而信道2則實現了中繼器與LoRa網關間的通信。采用星型網絡結構，以降低網絡復雜度，保證數據中轉流暢。

圖3 中繼器通信原理

搭載2塊LoRa通信模塊之后，系統將具有同一時間進行數據收發的相關功能。此外，數據的收及發通過不同信道來完成，可使數據碰撞現象顯著降低，以提高中繼效率。

2.3 LoRa網關設計

該部分主要功能是接收不同監測節點上傳的有關數據，再利用串口將數據傳至上位機監測平臺，為此，需在控制芯片上搭載LoRa模塊。利用MCU和MAX232的通信特性實現PC端上位機監測平臺和LoRa網關間的通信，且需要將數據在不同格式之間轉換，其功能才會實現。LoRa網關結構如圖4所示。

圖4 LoRa網關結構

3 系統主要部分程序設計

在軟件及硬件的相互協作之下，才可實現系統的順利運作。在設計時，需要考慮具體的功能需求以針對不同的模塊進行設計，同時也要根據設計所需硬件功能的要求對軟件進行分模塊設計，只有這樣，預期的功能才會實現，同時系統也具有良好的移植性和擴展性[8-10]。

圖5～圖7分別為監測節點、中繼器、LoRa網關的主程序流程。

圖5 監測節點主程序流程

圖6 中繼器主程序流程

圖7 LoRa網關主程序流程

4 結 語

本文面對紡織車間所需的環境條件提出問題，分析了相關因素，設計了以物聯網為基礎的紡織車間監測系統。系統主芯片為STM32F103ZET6，連接按鍵電路、報警電路、紅外收發電路、溫濕度傳感器和LoRa通信模塊等，具有成本低、功耗低、安裝容易、高效可靠等優點。