基于LoRa的電解鋁槽監控系統的設計

周黃河，于會山

（聊城大學物理科學與信息工程學院，聊城 252059）

0 引言

隨著時代的進步，電解鋁行業的發展已經逐漸成為我國社會發展中不可分割的組成部分，因此對于電解鋁槽內部狀態情況進行實時監控顯得尤為重要。強磁、高溫、粉塵是目前我國鋁電解工廠較常見的主要生產環境，這些因素對于生產中各個參數的采集和控制系統具有較大的影響，比如對于測量陽極導桿上的等距式壓降、陽極部分電流和爐溫度的測量等常用數據，目前大部分都是依靠人力周期性的進行檢測，檢測的數據不能夠同步、不連續，無法及時發現問題并進行調整，在許多情況下可能被其他的槽況發生變化的數據所影響或者無法正常獲取［1］；而且由于人工檢測的勞動強度大，運維費用成本高，更重要的是檢測工作不到位、不及時、不準確，若對漏槽的判斷不夠及時，可能會直接沖斷整個母線，造成系統停電、漏出鋁液、燃燒等事故，漏電檢測若不到位，則造成電流效率低等問題［2］。

為解決以上問題，本文提出了一種基于LoRa無線技術的電解鋁槽溫度的檢測和采集系統。該系統相對于傳統的檢測，有諸多優勢。系統可有效降低成本，并避免繁雜的布線環節。這樣不僅降低了線路鋪設的成本，節省了大量的人力、物力和財力，而且提高了生產效率，具有較強的擴展能力和投資的便利性。同時，不需要進行線路的變動，既可以實現節點的擴展，操作簡便，且具有較強的靈活性和抗干擾能力，提高了系統運行的穩定性。

1 系統方案的設計

該系統主要分為三個部分，分別為感知層、網絡層、應用層。其中感知層主要是傳感器部分和采集端主機部分，兩者之間通過LoRa進行無線通訊，其中傳感器部分包括可以測量電解鋁槽的溫度、電壓和電流，負責電解鋁槽數據的采集［3］。采集端主機部分，負責將采集到的數據顯示在主機界面上。網絡層則是將主機采集到的數據經過485串口傳輸到LoRa DTU設備，由DTU設備負責將數據透傳，轉換成網絡數據后，負責上傳到網絡平臺系統。應用層顯示采集終端上傳的數據，以便用戶進行管理和分配。系統的框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2 系統硬件的設計

該檢測系統的硬件部分主要包括以下部分，分別為以STM32F103VET6為控制芯片的主控模塊、傳感模塊、蜂鳴器報警、無線LoRa傳輸模塊、RS485模塊、語音報警模塊、電源模塊、顯示模塊等。硬件部分的具體結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

2.1 傳感器模塊

傳感器安裝在電解鋁槽的對應位置，對電解鋁槽的溫度、電壓、電流進行實時的監控。傳感器模塊是以STC為控制芯片的微型系統，該模塊主要包括：STC8G1K08主控芯片、AD轉換電路、RS2251開關電路、LoRa模塊以及運放電路。其中傳感器采集的數據先經過RS2251數字控制模擬開關后輸出，輸出的信號再經過GS8551運算放大電路處理后再經過ADS1100模塊進行模數轉換后，發送給主控芯片進行處理［4］。主控芯片處理完數據后，再將采集數據通過LoRa模塊傳輸到采集端的主機部分。傳感器部分的電路如圖3所示。

圖3 運放和AD轉換電路

2.2 主控部分

主機部分通過STM32系列芯片進行控制，該控制芯片是基于ARM Cortex-M的STM32F103VET 6-LQFP100微控制器。其工作電壓為2～3.6 V，數據的RAM大小為64 kB，程序存儲器容量高達512 kB。芯片的工作溫度為-40～85℃。主控芯片的原理如圖4所示。

圖4 主控芯片

2.3 語音報警模塊

系統使用的語音報警模塊是由以BY8001-24SS為主控芯片的控制部分和音頻功率放大部分組成，其中BY8001-24SS是一款新型的高音質MP3主控芯片，支持MP3和WAV雙格式解碼［5］。該芯片通過SD或者TF卡更換語音的內容，SD∕TF卡中的內容可使用U盤或者USB數據線連接到電腦上進行更換，支持15路按鍵一對一觸發播放，有多達8種觸發方式可選，使用十分便捷。

音頻功放電路以TDA2030A作為運算放大器，該電路部分的各個引腳和電容分別起到了不同的作用。引腳1起到同相輸入端偏置的作用，引腳2通過設置閉環達到增益效果，引腳4則是用來移相和穩定頻率，引腳3和引腳5連接的二極管的作用是輸出電壓正負限幅保護。

主機中可以通過設置閾值，當采集端采集到的數據超過了設置的閾值，則語音報警模塊就會通過喇叭發出報警。主控芯片部分和音頻功率放大電路如圖5和圖6所示。

圖6 音頻功率放大電路

2.4 RS485通信模塊

主機部分通過RS485通訊接口和LoRa DTU設備實行數據通信。傳感器所測的溫度、電壓和電流數據通過LoRa模塊上傳到主機部分，再通過RS485串口將采集數據傳輸給LoRa DTU設備。DTU設備就是一種專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。此處，LoRa DTU設備將從485串口接收到的采集數據轉換成IP數據打包并發送至網絡云平臺，便于用戶對數據進行管理［6］。DTU設備和主機的485接口之間采用的Modbus協議實現通訊。485模塊的原理如圖7所示。

圖7 485通訊模塊

2.5 Lo Ra模塊

系統采用SX1278LoRa擴頻無線模塊，該模塊的射頻芯片SX1278采用的是LoRaTM遠程調制解調器，其抗干擾強能力強，可以有效地降低電流損耗程度，一般適用于遠距離擴頻通信傳輸［7］。借助LoRaTM專利調制技術，SX1278具有-148 dBm的高靈敏度，+20 dBm的功率輸出，信號傳輸地有效距離足夠大，可靠性高。同時，與傳統地調制技術想比，LoRaTM技術在抗阻塞和選擇方面的表現也十分突出，既減小了功耗，又增強了抗干擾能力和有效傳輸距離［8］。LoRa模塊部分的電路原理如圖8所示。

圖8 LoRa模塊電路部分

3 系統軟件的設計

3.1 主機數據處理軟件設計

數據采集部分，主程序首先進行IO口、時鐘、中斷和數據等初始化。初始化完畢后，傳感器所采集的溫度、電壓、電流數據會先經過AD模塊進行數模轉換，然后通過LoRa模塊傳送給主機，主機接收到傳感器的數據后，會經過CRC16-Modbus進行校驗，校驗通過則數據會被主機成功接收并顯示到主機界面上，否則不顯示［9］。主機成功接收的數據后，會對數據進行閾值判斷，若超過用戶所設置的閾值，則主機的蜂鳴器會報警，同時會啟動音頻功放模塊，通過揚聲器對相應槽號的電解鋁槽的狀態進行語音報警，從而提醒工作人員實時查看。主機接收到的數據，會經過485模塊傳輸給LoRa DTU設備，使用Modbus協議進行通訊。LoRa DTU設備將成功接收到的數據轉化為網絡數據后，打包發送到監控云平臺，供用戶進行管理。數據處理的軟件流程如圖9所示。

圖9 數據處理部分流程

3.2 主機的界面軟件設計

主機界面部分，設計了對應的參數按鈕和參數顯示框，通過調用相應的變量指令，實現向界面發送參數值、頁面切換、發送數值動態圖標等功能。主界面會顯示電解鋁槽的各個傳感器點的檢測數據，頁面可以通過觸摸按鈕切換溫度、電流、電壓三個數據頁面。設置頁面中可以設置不同的參數，如報警閾值上限、顯示頻率、信道編號等。

3.3 Lo Ra模塊的軟件設計

系統使用的LoRa模塊由安信可設計開發，系統的數據通過LoRa模塊上傳至監控云平臺。對該模塊進行軟件配置時，首先需要進行連接配置，即選擇想要發送的目標地址［10］。

和信道，來與目標設備建立連接。建立連接后，設備與目標設備之間按照LoRa通信協議封裝的數據報文進行信息傳輸。LoRa模塊有四種模式以適應不同功耗環境，包括一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式。四種模式工作方式，本系統采用的工作模式有喚醒模式、一般模式和省電模式，具體的模式如表1所示。

表1 LoRa模塊工作模式

3.4 監控平臺的軟件設計

根據系統的功能需求，在設計時利用SSH的主流框架整合，結合JSP和CSS開發設計云平臺監測系統。系統實現用戶的權限分配、移動端監測設備的對傳感器數據的查詢、刪除、增加和修改等基本功能。數據庫使用SQL格式，采集的數據也以曲線界面展示變化狀態，供使用者更好的分析。

4 系統測試

設計完系統之后，需要對系統進行測試，整個測試過程包括對LoRa無線傳輸、數據采集、界面顯示、數據的上傳、云平臺的監控等功能的測試。主機的測試界面和云平臺界面如圖10所示。

圖10 主機界面數據

從圖11可以看出，電解鋁槽的各個傳感器的節點采集的數據，都通過LoRa模塊進行無線傳輸發送到主機界面并顯示出來，采集數據更新時間為30 s更新一次。采集數據在主機上顯示之后，再由485通訊口傳輸給LoRa DTU設備，轉換成網絡數據后，上傳到云平臺，云平臺會上顯示電解鋁槽的各個點位的數據，以及報警信息。

圖11 云平臺數據

5 結語

使用物聯網技術設計的該電解鋁槽監控系統，以STM32作為主控芯片，無線模塊使用SX1278的LoRa模塊實現主機和傳感器之間的對接，并進行數據傳輸。通信協議使用的是Modbus協議。采集的傳感器數據之后通過485通訊口將數據傳輸給LoRa DTU設備，DTU將數據轉換成網絡IP數據后打包發送之云平臺，供使用者更方便的監控電解鋁槽的狀態。該系統相對于傳統的人工檢測的方式節省了很多的時間和成本，且更具便利性。