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、綜合布線復雜等開關(guān)數(shù)字量采集困難問題，同時為解決因電磁干擾等外界不可控因素導致無線數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)丟包實際問題，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)量采集準確性;以SX1278無線電路作為數(shù)據(jù)傳輸載體提高點布設(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。實驗證明，該設(shè)計具有高可靠性與點布設(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，隨著計算機無線通信技術(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，促進冶金行業(yè)自動化信息技術(shù)革新，因此工業(yè)現(xiàn)代化改造已成為現(xiàn)今研究熱點。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，這類信號包括連續(xù)和離散的高低頻信號，作為工業(yè)設(shè)備的外部激勵控制信號，如僅靠人工手動連接實現(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)境復雜，更不利于人工手動控制和現(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)計開關(guān)量在液位測量中應用［1］;黃寶娟等人設(shè)計開關(guān)量驅(qū)動電路對電機正反控制［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)計都未考慮工業(yè)現(xiàn)場各種復雜環(huán)境對開關(guān)信號傳輸?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
該文數(shù)字開關(guān)量系統(tǒng)是通過采集工業(yè)設(shè)備中各種干接點信號，如限位開關(guān)、行程開關(guān)、各類按鍵、繼電器輸出、火災煙霧報警器等，以實現(xiàn)對運行中設(shè)備的監(jiān)控及操作。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖，分為開關(guān)量信號采集端和接收端兩大部分。在采集端通過帶有過壓保護器的光電耦合電路獲取工業(yè)設(shè)備中的開關(guān)量信號，信號經(jīng)硬件去抖后由單片機讀取到RAM中，同時，為方便監(jiān)控所采集的數(shù)字量，通過OLED顯示模塊進行數(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，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控室進行實時監(jiān)控。
2系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計
2．1硬件設(shè)計部分
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為電壓輸入保險絲，反向保護電源模塊，DIO為干結(jié)點采集端，R1，R2分別為分壓電阻;設(shè)計中當輸入節(jié)點DIO為高電平時，輸入信號為1，當輸入節(jié)點DIO為低電平時，輸入信號為0;S1和S2為過壓保護電路，當回路中瞬時電壓超過設(shè)計輸入3．3V電壓時旁路到地線，達到保護電路作用;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擾，設(shè)計時增加光電耦合，即將輸入電信號通過光敏二極管轉(zhuǎn)化成光信號，再由光敏三級管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入后級處理，實現(xiàn)節(jié)點輸入與信號檢測分離，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載能力，DS1為信號指示;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作為遠程調(diào)制解調(diào)器，覆蓋遠距離擴頻通信，其無線通信理論值可達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、低功耗等特性。SX1278電路需要由外部提供32M晶振作為基準時鐘，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
系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)平臺采用32位的STM32103RB作為主控芯片，主頻為72MHz，具有性能強、功耗低和實時性等特點。為了保證數(shù)據(jù)采集的實時性和安全性，使用開源的輕量級RTOS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括任務管理、資源管理、存儲管理和系統(tǒng)管理基本管理函數(shù)庫，嵌入式RTOS系統(tǒng)支持最多64個任務，其中56個為用戶任務，系統(tǒng)保留4個優(yōu)先級別最高和最低的任務。系統(tǒng)從優(yōu)先級隊列中高到低執(zhí)行任務且每個任務都有獨立的優(yōu)先級。圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程。設(shè)計時加載RTOS系統(tǒng)，進行系統(tǒng)初始化，設(shè)計數(shù)字開關(guān)量讀取和數(shù)據(jù)與命令字收發(fā)2個任務塊，設(shè)置數(shù)字開關(guān)量讀取為最高優(yōu)先級，收發(fā)數(shù)據(jù)為次級優(yōu)先級。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定時輪詢，當定時達到中斷時復位中斷標志位并獲取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、綜合布線復雜等開關(guān)數(shù)字量采集困難問題，同時為解決因電磁干擾等外界不可控因素導致無線數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)丟包實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)送請求應答命令和CRC校驗碼，通過SX1278無線電路模塊發(fā)送到接收，為滿足實時性要求，應答請求在接收中斷中獲取，同時開始計數(shù)，當計數(shù)值超過預設(shè)值時判定為數(shù)據(jù)丟包開始重新發(fā)送;當接收中斷獲取采集終端返回接收應答請求后，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)場應用
該系統(tǒng)應用在某冶金現(xiàn)場運煤皮帶開關(guān)控制，圖5為開關(guān)量接收端應用工業(yè)現(xiàn)場圖片。圖中1為設(shè)計主體;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個接收點進行數(shù)據(jù)接收測試實驗，分別在采集端發(fā)送5000個開關(guān)量數(shù)據(jù)，同時采用直接收發(fā)作為對照組實驗。表1為實驗測試數(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個接收點未出現(xiàn)丟包情況，而采用直接收發(fā)在不同測試點都出現(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)計具有高可靠性與點布設(shè)靈活性。
4結(jié)論
該文設(shè)計一種通過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)字量信號的數(shù)據(jù)傳輸，同時解決了丟包問題，簡化了項目施工與后期維護的復雜程度及人力物力。實驗證明，該系統(tǒng)設(shè)計在相同數(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。
參考文獻:
［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用［J］．礦山機械，2005(12):125－126．
［2］黃寶娟，高振華，張育林．一種開關(guān)量驅(qū)動訓練板的設(shè)計與使用［J］．高校實驗室工作研究，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)與實現(xiàn)方法研究［J］．工業(yè)儀表與自動化裝置，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