LORA無線通信數(shù)字開關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸

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摘要:針對鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備分散、環(huán)境惡劣、綜合布線復(fù)雜等開關(guān)數(shù)字量采集困難問題，同時(shí)為解決因電磁干擾等外界不可控因素導(dǎo)致無線數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)丟包實(shí)際問題，提出基于lora無線通信可靠握手協(xié)議的數(shù)字開關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸。采用光電耦合及電路濾波技術(shù)提高開關(guān)量采集準(zhǔn)確性;以SX1278無線電路作為數(shù)據(jù)傳輸載體提高點(diǎn)布設(shè)傳輸靈活性;采用可靠握手協(xié)議提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)具有高可靠性與點(diǎn)布設(shè)靈活性特性。

關(guān)鍵詞:LORA無線通信;數(shù)字開關(guān)量;可靠協(xié)議傳輸

引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)無線通信技術(shù)發(fā)展，中國2025高端制造規(guī)劃和工業(yè)化4．0改革的推動(dòng)，促進(jìn)冶金行業(yè)自動(dòng)化信息技術(shù)革新，因此工業(yè)現(xiàn)代化改造已成為現(xiàn)今研究熱點(diǎn)。而現(xiàn)代化工業(yè)現(xiàn)場控制環(huán)節(jié)中，涵蓋了大量工控信號(hào)，這類信號(hào)包括連續(xù)和離散的高低頻信號(hào)，作為工業(yè)設(shè)備的外部激勵(lì)控制信號(hào)，如僅靠人工手動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)控制已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)需求，尤其是鋼鐵冶金行業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，更不利于人工手動(dòng)控制和現(xiàn)場布線。如何有效、靈活及可靠采集與傳輸這類工控信號(hào)是保障現(xiàn)代化工業(yè)高效、安全生產(chǎn)的前提。在已有的相關(guān)領(lǐng)域研究中，趙鳳華等人設(shè)計(jì)開關(guān)量在液位測量中應(yīng)用［1］;黃寶娟等人設(shè)計(jì)開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路對電機(jī)正反控制［2］;李大偉等人提出帶有自診斷電路的開關(guān)量系統(tǒng)［3］。而這些研究與設(shè)計(jì)都未考慮工業(yè)現(xiàn)場各種復(fù)雜環(huán)境對開關(guān)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，基于此，該文提出基于LORA無線通信可靠握手協(xié)議的數(shù)字開關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸。

1數(shù)字開關(guān)量總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該文數(shù)字開關(guān)量系統(tǒng)是通過采集工業(yè)設(shè)備中各種干接點(diǎn)信號(hào)，如限位開關(guān)、行程開關(guān)、各類按鍵、繼電器輸出、火災(zāi)煙霧報(bào)警器等，以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行中設(shè)備的監(jiān)控及操作。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖，分為開關(guān)量信號(hào)采集端和接收端兩大部分。在采集端通過帶有過壓保護(hù)器的光電耦合電路獲取工業(yè)設(shè)備中的開關(guān)量信號(hào)，信號(hào)經(jīng)硬件去抖后由單片機(jī)讀取到RAM中，同時(shí)，為方便監(jiān)控所采集的數(shù)字量，通過OLED顯示模塊進(jìn)行數(shù)字化顯示，后經(jīng)無線LORA發(fā)送至接收端;接收端通過無線LORA接收到采集端的數(shù)字開關(guān)量信號(hào)，通過繼電器開關(guān)控制設(shè)備，并由網(wǎng)口將數(shù)據(jù)封裝ModbusTCP協(xié)議傳輸?shù)浇K控室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

2．1硬件設(shè)計(jì)部分

開關(guān)量檢測電路是數(shù)字開關(guān)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，圖2為數(shù)字開關(guān)量檢測電路。F1為電壓輸入保險(xiǎn)絲，反向保護(hù)電源模塊，DIO為干結(jié)點(diǎn)采集端，R1，R2分別為分壓電阻;設(shè)計(jì)中當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)DIO為高電平時(shí)，輸入信號(hào)為1，當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)DIO為低電平時(shí)，輸入信號(hào)為0;S1和S2為過壓保護(hù)電路，當(dāng)回路中瞬時(shí)電壓超過設(shè)計(jì)輸入3．3V電壓時(shí)旁路到地線，達(dá)到保護(hù)電路作用;U1為光耦電路，考慮工業(yè)現(xiàn)場存在大量不確定電磁輻射串?dāng)_，設(shè)計(jì)時(shí)增加光電耦合，即將輸入電信號(hào)通過光敏二極管轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，再由光敏三級(jí)管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入后級(jí)處理，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)輸入與信號(hào)檢測分離，從而抑制共模噪聲干擾，R3為光耦集電極上拉電阻以提高其負(fù)載能力，DS1為信號(hào)指示;R4，C1構(gòu)成低通濾波器，濾除高頻脈沖干擾。為解決現(xiàn)場布線困難問題，提出采用無線LO-RA數(shù)據(jù)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場布線的方式。圖3為無線LORA收發(fā)電路，采用SX1278無線電路模塊，該電路以LORATM作為遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，覆蓋遠(yuǎn)距離擴(kuò)頻通信，其無線通信理論值可達(dá)10km，較之傳統(tǒng)通信調(diào)制技術(shù)在抗阻塞和選擇性方面有明顯優(yōu)勢，更兼有抗干擾強(qiáng)、低功耗等特性。SX1278電路需要由外部提供32M晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，采用SPI總線，引腳16，17，18與MCU相連交換數(shù)據(jù)，DIO0～5為中斷輸出，用于數(shù)據(jù)完成與接收到數(shù)據(jù)中斷，可編程控制，RFO_LF為射頻輸出，PA_BOOST選擇大功率PA輸出，VR_PA為PA穩(wěn)壓電源，RX-TX/RF_MOD為串口Rx/Tx控制開關(guān)。

2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)采用32位的STM32103RB作為主控芯片，主頻為72MHz，具有性能強(qiáng)、功耗低和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。為了保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和安全性，使用開源的輕量級(jí)RTOS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括任務(wù)管理、資源管理、存儲(chǔ)管理和系統(tǒng)管理基本管理函數(shù)庫，嵌入式RTOS系統(tǒng)支持最多64個(gè)任務(wù)，其中56個(gè)為用戶任務(wù)，系統(tǒng)保留4個(gè)優(yōu)先級(jí)別最高和最低的任務(wù)。系統(tǒng)從優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中高到低執(zhí)行任務(wù)且每個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的優(yōu)先級(jí)。圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)時(shí)加載RTOS系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)計(jì)數(shù)字開關(guān)量讀取和數(shù)據(jù)與命令字收發(fā)2個(gè)任務(wù)塊，設(shè)置數(shù)字開關(guān)量讀取為最高優(yōu)先級(jí)，收發(fā)數(shù)據(jù)為次級(jí)優(yōu)先級(jí)。對8路I/O口配置為輸入模式，采集數(shù)字開關(guān)量過程為周期50ms定時(shí)輪詢，當(dāng)定時(shí)達(dá)到中斷時(shí)復(fù)位中斷標(biāo)志位并獲取I/O狀態(tài)，判斷I/O狀態(tài)口是否發(fā)生改變，如是則進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為LORA無線傳輸，該設(shè)計(jì)方案是針對鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備分散、環(huán)境惡劣、綜合布線復(fù)雜等開關(guān)數(shù)字量采集困難問題，同時(shí)為解決因電磁干擾等外界不可控因素導(dǎo)致無線數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)丟包實(shí)際問題提出采用可靠握手協(xié)議的無線LORA傳輸，將需要發(fā)送的開關(guān)量數(shù)據(jù)封裝自定義協(xié)議，主要包括采集端ID、發(fā)送請求應(yīng)答命令和CRC校驗(yàn)碼，通過SX1278無線電路模塊發(fā)送到接收，為滿足實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)答請求在接收中斷中獲取，同時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過預(yù)設(shè)值時(shí)判定為數(shù)據(jù)丟包開始重新發(fā)送;當(dāng)接收中斷獲取采集終端返回接收應(yīng)答請求后，則完成一次開關(guān)量數(shù)據(jù)傳送。

3系統(tǒng)在工業(yè)控制現(xiàn)場應(yīng)用

該系統(tǒng)應(yīng)用在某冶金現(xiàn)場運(yùn)煤皮帶開關(guān)控制，圖5為開關(guān)量接收端應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場圖片。圖中1為設(shè)計(jì)主體;2為OLED液晶顯示;3為繼電器控制輸出端子，共8路輸出;4為外部電源輸入端子;5為無線LORA發(fā)送天線接口，采用發(fā)射增益3．5db，433MHz全頻段天線，理論發(fā)射距離為10km。此次測試分別選取500m，1km，2．5km，5km處4個(gè)接收點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收測試實(shí)驗(yàn)，分別在采集端發(fā)送5000個(gè)開關(guān)量數(shù)據(jù)，同時(shí)采用直接收發(fā)作為對照組實(shí)驗(yàn)。表1為實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，從表中結(jié)果可以得出，采用該文提出的基于LORA無線通信可靠握手協(xié)議的數(shù)字開關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸在4個(gè)接收點(diǎn)未出現(xiàn)丟包情況，而采用直接收發(fā)在不同測試點(diǎn)都出現(xiàn)丟包情況，且隨傳輸距離增加其丟包率也增大，從而證明該文設(shè)計(jì)具有高可靠性與點(diǎn)布設(shè)靈活性。

4結(jié)論

該文設(shè)計(jì)一種通過LORA無線通信可靠握手協(xié)議的數(shù)字開關(guān)量數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備，解決鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備分散、環(huán)境惡劣、綜合布線復(fù)雜等開關(guān)數(shù)字量采集困難問題，在廠區(qū)范圍內(nèi)通過放置接收模塊，實(shí)現(xiàn)2～3km的LORA通信，中間通信過程不需要接線，就可完成數(shù)字量信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)解決了丟包問題，簡化了項(xiàng)目施工與后期維護(hù)的復(fù)雜程度及人力物力。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在相同數(shù)據(jù)傳輸條件下傳輸可靠性高，設(shè)備安裝位置不受限制，可安裝在任意地點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

［1］趙鳳華，高原．開關(guān)量———數(shù)字顯示電路在液位測量中的應(yīng)用［J］．礦山機(jī)械，2005(12):125－126．

［2］黃寶娟，高振華，張育林．一種開關(guān)量驅(qū)動(dòng)訓(xùn)練板的設(shè)計(jì)與使用［J］．高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2018(01):131－133．

［3］李大偉，吳燕娟，盛成龍，等．開關(guān)量檢測系統(tǒng)自診斷技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法研究［J］．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2018(2):33－39．

作者：葉方躍 鄭偉南 單位：江蘇金恒信息科技股份有限公司