(大連交通大學 電氣信息學院，大連 116028)

引 言

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，電氣化設(shè)備在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)著越來越重要的地位，而設(shè)備工作的健康狀態(tài)直接影響著工業(yè)生產(chǎn)單位的效率，因此設(shè)備監(jiān)測就顯得格外重要，傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測主要是人工定期巡檢，不僅消耗大量的人力，并且不能做到在設(shè)備達到即將故障的臨界點提前維修，大多數(shù)只能在設(shè)備發(fā)生故障之后緊急搶修，這樣在搶修的過程中，降低了工作效率，而一些定期檢修也只是根據(jù)人的經(jīng)驗來判斷檢修的時間間隔，沒有較強的針對性，效率低。這種在線檢修方式逐步被信息化時代的離線設(shè)備監(jiān)測方式所替代，即將設(shè)備的狀態(tài)信息通過有線通信的方式傳輸?shù)皆O(shè)備監(jiān)測中心，由后臺操作人員進行監(jiān)測。不過，這種有線通信的方式前期施工成本高，布線復雜，后期維護成本又隨著時間的推移逐步升高，而且不利于設(shè)備密集的場所使用，靈活度差，所以無線通信方式正在逐步取代有線通信方式，而隨著近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如火如荼的發(fā)展，相關(guān)的一些無線通信方案正走入人們的視野。比如近些年流行的LoRa調(diào)制技術(shù)，如參考文獻[1]設(shè)計了一種基于LoRa無線技術(shù)的動車軸溫無線監(jiān)測系統(tǒng)，參考文獻[2]研究了基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡終端無線程序升級系統(tǒng)，參考文獻[3]對基于SX1276芯片的LoRa與FSK技術(shù)在室內(nèi)定位中的應用進行了研究。

本文基于LoRa無線通信技術(shù)設(shè)計了一款用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的節(jié)點，主要用于點對點網(wǎng)絡傳輸，很好地解決了上述設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳輸問題。

1 監(jiān)測節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)與功能

此款設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點采用LoRa調(diào)制解調(diào)技術(shù)，具有低功耗、長距離、抗干擾的優(yōu)勢，并且使用ISM頻段，無需授權(quán)許可，可以根據(jù)不同企業(yè)的需求，定制自己的私網(wǎng)，在頻段使用上不僅節(jié)約了大量的成本，而且提高了設(shè)備采集數(shù)據(jù)的保密性。本監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)終端設(shè)備狀態(tài)采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)點對點傳輸，組網(wǎng)簡單可靠，單節(jié)點最大發(fā)射功率可達+20 dBm。

主控制器芯片采用ST公司的STM32L151CBT6，比基礎(chǔ)型STM32F103系列芯片更節(jié)能，擁有128 KB的Flash空間，具有豐富的片上外設(shè)，如USART、SPI、I2C接口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道，并且還具有DMA功能。其中數(shù)傳模塊采用安信可公司的Ra-01模組，其中內(nèi)部集成本次節(jié)點設(shè)計核心部件——LoRa數(shù)據(jù)傳輸芯片SX1278(Semtech公司)，該芯片適合在中國大陸ISM頻段的低頻段區(qū)間(137～525 MHz)使用，而北美地區(qū)則常使用SX1276。該節(jié)點前端有溫度傳感器負責監(jiān)測設(shè)備的溫度，還有標準USB接口電路，負責采集傳輸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過通用異步收發(fā)器將采集信息傳輸給主控制器芯片，主控制器芯片將采集數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸給數(shù)傳模塊，該模塊再將數(shù)據(jù)通過LoRa調(diào)制的方式傳輸出去，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)墓δ堋Ｔ趥鬏斁嚯x、抗干擾性以及功耗方面具有優(yōu)勢。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖

2 監(jiān)測節(jié)點的硬件設(shè)計

2.1 電源設(shè)計

電源部分不僅是嵌入式設(shè)備能量的來源，更是設(shè)備能否正常穩(wěn)定運作的保證，對于電源輸出電壓大小及穩(wěn)定性有著很高的要求。針對各個功能模塊對電壓的需求，該電源部分要可靠輸出5 V和3.3 V電壓，輸出電壓波紋不能太大。第一套方案采用開關(guān)型DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，輸入電壓為12 V，輸出電壓為5 V，該5 V電壓可以提供給USB數(shù)據(jù)采集電路和溫度采集電路使用，最后通過低壓差線性穩(wěn)壓電路(LDO)輸出3.3 V電壓供給MCU控制電路和LoRa傳輸模塊。DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路采用德州儀器公司的LM2576SX-5.0芯片，具有很好的穩(wěn)壓效果，具體電路如圖2所示。

圖2 開關(guān)型DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路

由于該DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路中有兩個220 μF的電解電容、一個220 μH的功率電感和一個肖特基二極管，體積比較大，即使是表貼封裝也占用大量的PCB面積，而且220 μH功率電感是一個很大的干擾源，在PCB走線的時候，對時鐘線和信號線影響較大，所以綜合考慮，此方案并不合適。

第二套方案就是本監(jiān)測節(jié)點所采用的電源電路，核心技術(shù)采用“雙聯(lián)式”低壓差線性穩(wěn)壓電路(LDO)。輸入為直流12 V，經(jīng)過線性穩(wěn)壓，上半部分輸出5 V直流電壓，下半部分輸出3.3 V。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “雙聯(lián)式”低壓差線性穩(wěn)壓電路

LM1117-3.3與LM1117-5.0穩(wěn)壓芯片不僅在體積上小于LM2576-5.0，而且即使有兩路穩(wěn)壓電路，也比LM2576-5.0核心的DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路節(jié)省很大的PCB面積，這不僅在成本上可以節(jié)約很多，而且外圍電路搭建簡單，輸入輸出分別只需一個47 μF的電解電容和一個0.1 μF的MLCC即可。前者負責低頻濾波、穩(wěn)壓，后者負責高頻濾波，保證輸出電壓波紋穩(wěn)定。筆者考察下路輸出電壓穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)見表1。

表1 3.3 V線性穩(wěn)壓輸出測試

由表中數(shù)據(jù)分析可知，當輸入電壓小于3.3 V時，輸出欠壓，只要當輸入電壓高于3.3 V時，輸出穩(wěn)定在3.3 V左右，當輸入為12 V時(本監(jiān)測節(jié)點輸入電壓)，輸出也穩(wěn)定在3.3 V。由此說明該設(shè)計滿足工程需要。上路線性穩(wěn)壓芯片同屬一個公司產(chǎn)品，也滿足該設(shè)計要求，穩(wěn)定輸出5 V。

2.2 功能電路設(shè)計

功能電路部分包括MCU控制電路(U1)、溫度采集電路(U6)、USB數(shù)據(jù)采集電路(U5)和LoRa傳輸模塊(U2)。詳細電路圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測節(jié)點的功能電路圖

其中，溫度采集電路采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，這種數(shù)字溫度傳感器采用獨特的單線接口方式與STM32L151CBT6芯片相連，只占用了微控制器的一個I/O接口(PA0)，因此電路連接簡單，而且在外部5 V供電的條件下，溫度測量精度高。本節(jié)點采用DS18B20外部電源供電方式，實現(xiàn)單點測溫，也可以實現(xiàn)多點測溫的功能，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DS18B20多點測溫電路圖

但需要注意的是，當采用多點測溫時，數(shù)字溫度傳感器供電方式一定要采用外部電源供電方式，不可以采用如圖6所示的寄生電源供電方式，雖然寄生電源供電方式可以實現(xiàn)遠距離溫度測量，無需本地電源供電，但是當多個DS18B20傳感器掛載在一個I/O接口線的時候，會導致I/O接口的驅(qū)動能力不足，嚴重影響數(shù)字溫度傳感器的溫度測量精度，甚至會導致錯誤的測量結(jié)果。即使采用外部供電方式，多點測量溫度時，I/O接口也不是無限制地掛載傳感器，其數(shù)量最多不要超過7到8個，否則測溫精度也會大大下降。

圖6 DS18B20寄生電源供電方式

USB數(shù)據(jù)采集電路通過芯片CH340G實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，該轉(zhuǎn)換芯片需要外接12 MHz晶振為內(nèi)部提供時鐘，本電路選擇5 V供電模式，引腳V3要外接0.1 μF去耦電容接地，在VCC引腳除了提供5 V供電外，還要外接去耦電容和電解電容到地，詳細電路結(jié)構(gòu)見圖4。

在LoRa數(shù)據(jù)傳輸模塊中，其內(nèi)部SX1278芯片按照Semtech公司給出的參考電路，已經(jīng)搭建完成，模塊外只需對電源引腳部分做簡單的濾波處理即可，模塊的I/O接口引腳與微控制器GPIO引腳相連。

MCU控制電路主要搭建其最小系統(tǒng)，包括起振電路、復位電路、啟動配置電路、電源電路，還有如圖7所示的下載電路。這里采用JTAG程序下載方式，在VDDA(模擬供電)引腳加入C8電容，這樣使電源輸入更穩(wěn)定，提高了使用ADC功能時采集信號的精度。詳細電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖7 JTAG下載電路

3 監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計

該監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)點對點傳輸，在組網(wǎng)時其地位是平等的，根據(jù)具體的用途可以實現(xiàn)采集發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的相互轉(zhuǎn)化。在軟件功能設(shè)計上分為發(fā)送和接收兩個功能，其軟件流程圖如圖8和圖9所示。

圖8 發(fā)送節(jié)點軟件流程

圖9 接收節(jié)點軟件流程

對于發(fā)送節(jié)點，首先進行節(jié)點初始化，包括MCU芯片各引腳、時鐘的配置等，然后節(jié)點通過USB數(shù)據(jù)采集電路設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，或者通過DS18B20溫度采集電路采集設(shè)備溫度信息。當有發(fā)送需求時，響應發(fā)送中斷，然后MCU控制電路通過SPI接口與LoRa數(shù)據(jù)傳輸模塊進行通信，將采集的數(shù)據(jù)寫入LoRa模塊的FIFO數(shù)據(jù)存儲區(qū)，并配置LoRa模塊的發(fā)送模式，最后進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如果由于信道占用導致超時，或者接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)錯誤導致無法回復ACK，發(fā)送節(jié)點將進入重發(fā)階段，如果發(fā)送成功，即等到了接收節(jié)點的ACK，則繼續(xù)等待發(fā)送數(shù)據(jù)的請求，等待下一階段的數(shù)據(jù)傳輸。

對于接收節(jié)點，當其上電后，首先初始化節(jié)點，如果該接收節(jié)點是網(wǎng)絡中的接力節(jié)點，則不需要采集設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，上電以后就在一定的時間間隔內(nèi)由既定程序喚醒，不斷檢測空中數(shù)據(jù)包的前導碼，其他時間處于休眠狀態(tài)，這樣可以降低節(jié)點的功耗。當檢測到空中數(shù)據(jù)包的前導碼有效時，則發(fā)送接收數(shù)據(jù)的中斷請求，如果該前導碼無效則不接收該數(shù)據(jù)包，并繼續(xù)檢測前導碼。當發(fā)送的接收數(shù)據(jù)中斷請求被響應后，就會配置LoRa模塊中接收模式的寄存器，然后判斷該數(shù)據(jù)包負載部分的CRC校驗字節(jié)是否正確，如果正確，則讀入該數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)換成待機模式，然后繼續(xù)檢測前導碼，準備下一次數(shù)據(jù)的接收，如果數(shù)據(jù)包的CRC校驗字節(jié)不正確，則丟棄數(shù)據(jù)包，不進行讀入操作，直接進入待機模式，準備下一次數(shù)據(jù)的接收。

4 實驗測試分析

實驗測試場地選在大連交通大學沙河口校區(qū)，測試時間為2018年7月。采用雙節(jié)點一對一通信模式，沒有中繼節(jié)點接力轉(zhuǎn)發(fā)，考察節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量與傳輸距離極限。發(fā)射節(jié)點位于電氣信息學院三樓東側(cè)302實驗室，接收節(jié)點分別沿圖10中標注的3條路線分別測試，圖中終點位置為通信極限點。

其中接收節(jié)點在電氣信息學院樓內(nèi)的各個地點均能接收到采集數(shù)據(jù)，接收正確率為100%，說明其在室內(nèi)傳輸性能非常不錯，所以當該監(jiān)測節(jié)點用于室內(nèi)設(shè)備監(jiān)測時，數(shù)據(jù)傳輸性能最佳。

室外傳輸場景比較復雜，正值炎夏，校園內(nèi)兩旁高樹林立，這些都是影響無線信號傳輸?shù)臐撛谝蛩?。筆者選出實驗路線1分析，經(jīng)過大量反復實驗，在配置傳輸條件時，設(shè)置帶寬為125 kHz，擴頻因子分別為7、8、9時，傳輸效果最好。如圖10所示，當過雙峰瀑布向西以后，通信質(zhì)量開始下降，接收數(shù)據(jù)時延變長，直到圖10中最后箭頭所示位置以后，接收信息無法使用。筆者站在1號路線的心型處進行該測試，其測試統(tǒng)計結(jié)果如表2所列。

圖10 實驗測試路線圖

表2 實驗路線1心型位置數(shù)據(jù)接收測試統(tǒng)計結(jié)果

由此可見，在室外復雜的環(huán)境條件下，單節(jié)點+20 dBm的功率依然可以傳輸很遠，而且接收數(shù)據(jù)正確率滿足設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測要求，在實際應用中可以在兩節(jié)點間增加中繼節(jié)點，這樣就可以增強傳輸質(zhì)量，綜合分析測試結(jié)果達到了預期目標。

結(jié) 語