孟慶志，劉 庚

（濟(jì)南祥控自動(dòng)化設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引 言

封閉料場中的料堆，如煤堆、糧食堆、秸稈垛、煙草堆垛等，由于長時(shí)間堆放、堆內(nèi)通風(fēng)性差等原因，溫度容易升高，導(dǎo)致自燃、霉變、釋放有毒有害氣體等，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。因此，對(duì)料堆表面及內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定位監(jiān)測(cè)很有必要。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為料堆實(shí)時(shí)精確定位監(jiān)測(cè)提供了更多技術(shù)選項(xiàng)。超寬帶（UWB）技術(shù)采用極窄的脈沖信號(hào)進(jìn)行信息傳遞，無需使用載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，由于其特殊的通信方式，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)，相較于紅外線、射頻收發(fā)、WiFi、ZigBee、視覺定位等室內(nèi)定位技術(shù)，UWB定位具有高定位精度、高穿透力、高時(shí)間分辨率和較強(qiáng)的抗多路徑能力等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

在低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）產(chǎn)生之前，遠(yuǎn)距離和低功耗兩者只能有取舍。LoRa是LPWAN通信技術(shù)中一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本等特性，改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供了一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、延長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，擴(kuò)展了傳感網(wǎng)絡(luò)[6]。

本文運(yùn)用UWB室內(nèi)無線定位技術(shù)和LoRa無線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種料堆環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)靈活改變料堆監(jiān)測(cè)位置、即插即獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、可靠無線傳輸和精確坐標(biāo)定位等環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

料堆環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括智能無線探桿、UWB定位基站、現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)和上位機(jī)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能無線探桿用于采集料堆環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊傳輸至現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)通過UWB定位標(biāo)簽向UWB定位基站發(fā)送通信幀。

UWB定位系統(tǒng)由UWB定位標(biāo)簽、UWB基站和定位服務(wù)器組成。UWB基站安裝在封閉的料場室內(nèi)頂部，基站位置和定位精度強(qiáng)相關(guān)，需要進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量校正。

基站通過POE交換機(jī)和現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)的光端機(jī)將定位數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)兼具UWB定位服務(wù)器的功能，可通過定位算法解算出每個(gè)無線探桿的精確位置坐標(biāo)。

現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)接收、處理和顯示各無線探桿上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，同時(shí)讀取上位機(jī)解算出的各無線探桿的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能無線探桿設(shè)計(jì)

智能無線探桿采用不銹鋼探桿和表頭結(jié)構(gòu)。不銹鋼探桿內(nèi)有多個(gè)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，使用時(shí)可將不銹鋼探桿插入料堆內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)料堆內(nèi)部測(cè)溫。探桿末端可集成溫濕度傳感器，用于需要測(cè)量料堆內(nèi)部濕度或水分含量的場合。對(duì)于需要測(cè)量料堆表面釋放有毒有害氣體濃度的場景，可將不銹鋼探桿更換成氣體傳感器探頭。

無線探桿由微控制器、溫濕度傳感器接口、溫度傳感器接口、氣體傳感器接口、電池管理單元、觸發(fā)按鍵接口、LoRa通信模塊、UWB定位標(biāo)簽?zāi)K組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能無線探桿硬件結(jié)構(gòu)

微控制器選用意法半導(dǎo)體公司出品的STM32L152超低功耗單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部集成有低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和一組在待機(jī)模式下仍然通電的備份寄存器，用于芯片定時(shí)喚醒。集成的LCD控制器有一個(gè)內(nèi)置的LCD電壓發(fā)生器，允許驅(qū)動(dòng)多達(dá)8個(gè)多路LCD，方便數(shù)據(jù)顯示。

無線探桿采用可充電鋰電池供電，電池管理單元用于電池充放電，以及各傳感器接口、LoRa通信模塊、UWB定位標(biāo)簽?zāi)K的低功耗省電管理。

探桿設(shè)計(jì)有外部觸發(fā)按鍵接口，可實(shí)現(xiàn)外部實(shí)時(shí)喚醒和實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)喚醒2種軟件喚醒模式。

2.1.1 傳感器接口設(shè)計(jì)

傳感器接口設(shè)計(jì)有溫濕度傳感器接口、溫度傳感器接口和氣體傳感器接口，可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目功能要求更換傳感器探頭類型。

溫濕度傳感器接口支持瑞士ScnSirion公司出品的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器芯片，該芯片同時(shí)集成有溫度和濕度傳感器，可提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。芯片在測(cè)量和通信結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式。

溫度傳感器接口支持DS18B20溫度傳感器多節(jié)點(diǎn)工作模式，可實(shí)現(xiàn)料堆內(nèi)部多個(gè)位置的溫度測(cè)量。DS18B20溫度傳感器為美國DALLAS公司出品的支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能的數(shù)字溫度傳感器芯片，芯片采用先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信方式，多個(gè)DS18B20可并聯(lián)在唯一的三線接口上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)溫。芯片測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃時(shí)精度可達(dá)±0.5 ℃，可滿足絕大多數(shù)料堆的溫度測(cè)量要求。

氣體傳感器接口采用模擬量輸入方式，可通過更換氣體探頭實(shí)現(xiàn)CH4、CO、CO2、PH3等常見料堆釋放氣體類型的濃度檢測(cè)。

2.1.2 LoRa模塊設(shè)計(jì)

LoRa模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司出品的WH-L101-L模塊。模塊支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)UART轉(zhuǎn)LoRa數(shù)傳功能；傳輸距離可達(dá)3 500 m；支持低功耗工作模式；接收靈敏度可達(dá)-138.5 dBm，接收靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)加密傳輸，安全性高；支持AT指令配置，內(nèi)置看門狗，穩(wěn)定運(yùn)行不死機(jī)；小尺寸SMT封裝，便于嵌入使用。LoRa模塊接口電路如圖3所示。

圖3 LoRa模塊接口電路

2.1.3 UWB定位標(biāo)簽設(shè)計(jì)

UWB定位標(biāo)簽選用DWM1000模塊，模塊基于Decawave公司出品的DW1000 超寬帶收發(fā)芯片，并將天線、全射頻電路、電源管理和時(shí)鐘電路集成在一個(gè)模塊上，可用于雙向測(cè)距或時(shí)差（TDOA）定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)10 cm精度定位，支持高達(dá)6.8 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸[7-8]。

UWB定位標(biāo)簽?zāi)K集成在智能無線探桿內(nèi)部采集電路板上，其向周圍發(fā)送納秒級(jí)脈沖信號(hào)，固定安裝在周圍的UWB基站接收并測(cè)量上述脈沖信號(hào)，經(jīng)過濾波等處理，各自計(jì)算得到脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻等定位測(cè)量信息。UWB定位標(biāo)簽?zāi)K接口電路如圖4所示。

圖4 UWB定位標(biāo)簽?zāi)K接口電路

UWB定位基站選用市面上采用DW1000 超寬帶收發(fā)芯片技術(shù)的成熟定位基站，以實(shí)現(xiàn)與UWB定位標(biāo)簽的性能適配。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)

現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括電源管理單元、控制板、觸摸屏顯示器、聲光報(bào)警接口、上位機(jī)通信接口、LoRa通信模塊和功能按鈕接口。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

控制板通過LoRa通信模塊接收各無線探桿上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)通信接口定時(shí)從上位機(jī)讀取各無線探桿的位置坐標(biāo)信息和響應(yīng)上位機(jī)的探桿數(shù)據(jù)讀取命令。當(dāng)探桿傳感器數(shù)據(jù)超出報(bào)警閾值時(shí)，控制板啟動(dòng)主機(jī)聲光報(bào)警器進(jìn)行超限聲光報(bào)警。

觸摸屏顯示器實(shí)時(shí)讀取控制板數(shù)據(jù)寄存器區(qū)的各無線探桿的傳感器數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行畫面顯示。觸摸屏顯示器通過存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可進(jìn)行歷史報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)及趨勢(shì)圖查看等。

現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)可通過功能按鈕執(zhí)行切換畫面、報(bào)警確認(rèn)、就地手動(dòng)控制等操作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線探桿軟件設(shè)計(jì)

無線探桿軟件流程如圖6所示。探桿上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘和各模塊初始化，然后傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過LoRa通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)，通過UWB定位標(biāo)簽向料場內(nèi)的基站發(fā)射探桿位置信號(hào)，隨后無線探桿進(jìn)入休眠模式。

圖6 無線探桿軟件流程

休眠期間，微控制器內(nèi)集成的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘持續(xù)計(jì)時(shí)，每次計(jì)時(shí)周期結(jié)束后，實(shí)時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)喚醒微控制器，微控制器被喚醒后從實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒入口繼續(xù)執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)采集、LoRa無線傳輸、UWB定位信號(hào)發(fā)送等程序，程序執(zhí)行完畢后再次進(jìn)入休眠模式，等待下一次計(jì)時(shí)周期喚醒。

3.2 通信喚醒機(jī)制

為滿足低功耗要求，最大限度延長電池使用時(shí)間，無線探桿每次通信結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)將各傳感器接口、LoRa模塊接口和UWB定位標(biāo)簽接口斷電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2種喚醒通信機(jī)制：外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒和RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)喚醒。

外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒：通過外部按鍵中斷觸發(fā)微控制器立即喚醒，繼續(xù)執(zhí)行程序，對(duì)于需要即時(shí)獲取料堆監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感數(shù)據(jù)和定位信息的應(yīng)用，可執(zhí)行外部按鍵中斷觸發(fā)喚醒機(jī)制。

RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)喚醒：通過微控制器內(nèi)部集成的RTC模塊執(zhí)行定時(shí)喚醒程序，執(zhí)行完畢后，重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.3 UWB無線定位算法

按照測(cè)量參數(shù)的不同，UWB的定位方法可以分為接收信號(hào)強(qiáng)度法（RSSI ）、到達(dá)角度法（AOA）、到達(dá)時(shí)間法（TOF）和到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）等[9-10]。

TDOA定位是一種利用時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算的方法。精準(zhǔn)的絕對(duì)時(shí)間相對(duì)較難測(cè)量，通過比較信號(hào)到達(dá)各UWB定位基站的時(shí)間差，計(jì)算出信號(hào)到各定位基站的距離差，即可做出以定位基站為焦點(diǎn)，距離差為長軸的雙曲線，三組雙曲線的交點(diǎn)即為定位標(biāo)簽位置，如圖7所示。不同于TOF，TDOA通過檢測(cè)信號(hào)到達(dá)2個(gè)基站的時(shí)間差，而不是通過到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來確定移動(dòng)臺(tái)的位置，因此降低了系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求。本系統(tǒng)采用TDOA定位算法進(jìn)行智能無線探桿定位。

圖7 TDOA算法標(biāo)簽定位示意圖

如圖7所示，UWB定位基站的坐標(biāo)分別為R1(x1, y1)，R2(x2, y2)，R3(x3, y3)，R4(x4, y4)，基站R1，R2，R3，R4在 安裝部署時(shí)位置固定且坐標(biāo)已知，所求定位標(biāo)簽的坐標(biāo)為O(x0, y0)。

假設(shè)脈沖信號(hào)從定位標(biāo)簽O到達(dá)基站R1、R2、R3、R4的時(shí)間為 t1、t2、t3、t4，分別以 (R1、R4)，(R2、R4)，(R3、R4)作為焦點(diǎn)，定位標(biāo)簽O發(fā)送的信號(hào)到兩基站間的距離差為常數(shù)，可以得到3組雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)即為定位標(biāo)簽O的坐標(biāo)。

求解坐標(biāo)(x0, y0)的方程如下：

式中，v為脈沖信號(hào)的傳播速度。通過上述公式即可求出定位標(biāo)簽坐標(biāo)O(x0, y0)的解。

3.4 現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)通信報(bào)文

由于現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)數(shù)據(jù)不僅要上傳至上位機(jī)電腦，有些工業(yè)現(xiàn)場還需為DCS系統(tǒng)、組態(tài)軟件提供數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)與上位機(jī)通信采用通用的Modbus TCP通信協(xié)議。Modbus協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型，Modbus TCP是由施耐德公司推出的基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS 232、RS 422、RS 485和以太網(wǎng)接口，采用Master/Slave方式通信。上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)在本文中未涉及?，F(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)數(shù)據(jù)寄存器區(qū)單個(gè)無線探桿的通信報(bào)文格式見表1所列。

表1 數(shù)據(jù)寄存器區(qū)定義

4 系統(tǒng)運(yùn)行

系統(tǒng)以封閉煤場中的煤堆作為運(yùn)行測(cè)試對(duì)象，煤場內(nèi)有4個(gè)并排布置的條形煤堆，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#料堆，將煤場左上角作為定位坐標(biāo)原點(diǎn)，并將每個(gè)煤堆按照實(shí)際測(cè)量長度劃分為8個(gè)相等區(qū)域。智能無線探桿的UWB定位標(biāo)簽接入煤場堆取料機(jī)UWB定位基站系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖8所示，8個(gè)智能無線探桿通過LoRa無線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正確、穩(wěn)定，改變?nèi)我鉄o線探桿的探測(cè)區(qū)域位置，UWB定位系統(tǒng)均能精確定位，并在界面中對(duì)應(yīng)區(qū)域顯示探桿名稱。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合料堆監(jiān)測(cè)需求，運(yùn)用UWB室內(nèi)無線定位技術(shù)和LoRa無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了一種料堆環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了靈活改變料堆監(jiān)測(cè)位置、即插即獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、可靠無線傳輸和精確坐標(biāo)定位等環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。項(xiàng)目運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，可滿足實(shí)際料堆監(jiān)測(cè)的需要。