雷 艷，黃 健，范宜霖，王 劍，彭 林

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230000）

0 引言

無線通信技術具有靈活度高、擴展性好、成本低、適用性強等特點，現(xiàn)已被廣泛應用于智慧管網(wǎng)、智慧交通、智慧水務、智慧農(nóng)業(yè)等領域。隨著無線通信技術的發(fā)展，部分國際知名品牌執(zhí)行器廠商已研發(fā)應用集成無線通信技術的電動驅(qū)動裝置，并開發(fā)了獨立封閉的無線通信系統(tǒng)，如英國Rotork 公司開發(fā)的類似于Profibus、Modbus 及Hart等開放的Pakscan 無線通信系統(tǒng)，德國Auma 公司開發(fā)的可以保護現(xiàn)場通信設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設置、采用特定數(shù)據(jù)加密算法和獨立網(wǎng)絡系統(tǒng)操作軟件的無線通信SIMA 現(xiàn)場總線系統(tǒng)［1-4］。國內(nèi)有關閥門電動裝置的研究主要集中在現(xiàn)場總線控制及智能診斷方面，通過引入現(xiàn)場總線技術取代傳統(tǒng)開關量和模擬量的點對點傳輸，實現(xiàn)遠程控制和故障檢測等功能。李苗苗等［5］采用多圈絕對編碼技術設計了一種具有彩色液晶屏顯示界面、支持Profibus、Modbus、Hart 等總線通信的智能電動執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程設置和故障診斷；李紀紅等［6］介紹了一種具有Profibus-DP 現(xiàn)場總線從站接口智能電動執(zhí)行器相關設計和智能控制算法；李洪祥等［7］基于STC8 設計了一種電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)，根據(jù)電動執(zhí)行器型號搭配使用不同類型的驅(qū)動模塊，實現(xiàn)了參數(shù)自整定、故障診斷及保護功能。在無線通信技術方面，國內(nèi)研究人員雖有涉及，但更多是通過單獨配置控制箱或額外控制器實現(xiàn)電動裝置遠程無線控制，結(jié)構(gòu)未實現(xiàn)一體化設計。項美根等［8］初步介紹了一種可以通過現(xiàn)場總線或無線對閥門進行開關以及開度遠程控制的電動裝置；姚凱等［9］將嵌入式技術與無線通信技術相融合設計了嵌入式閥門遠程控制器，實現(xiàn)閥門控制器輸出故障自診斷功能；徐善智等［10］基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）設計了一種電動執(zhí)行器監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同執(zhí)行器和管道內(nèi)流體狀態(tài)的遠程監(jiān)控和監(jiān)測。

綜上所述，電動裝置在現(xiàn)場總線控制技術、無線控制技術等方面均有研究和應用，國外產(chǎn)品在國內(nèi)市場中因其獨立的無線通信系統(tǒng)存在成本費用高、與當前閥門主流控制系統(tǒng)不兼容等問題；國內(nèi)產(chǎn)品控制以現(xiàn)場總線控制為主，控制系統(tǒng)架構(gòu)臃腫、現(xiàn)場總線鋪線查線量大、成本高昂、閥門控制節(jié)點受限。本文提出一種無線控制閥門電動驅(qū)動裝置（簡稱無線電裝），即利用無線通信技術替代電動裝置控制電纜傳輸實現(xiàn)控制指令與反饋信號的無線傳輸，通過設計無線天線引入裝置和控制系統(tǒng)實現(xiàn)電裝結(jié)構(gòu)一體化及閥門遠程控制和監(jiān)控，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)與LoRa 無線通訊實現(xiàn)閥門與主流控制系統(tǒng)的連接，為工業(yè)閥門物聯(lián)網(wǎng)技術的應用和開展提供前沿研究和依據(jù)，為工業(yè)閥門遠程運維和管控一體化提供研究基礎。

1 無線電裝結(jié)構(gòu)及硬件設計

本文設計的無線電裝滿足以下功能要求：（1）閥門電動驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)一體化，無需單獨配置控制箱或外設控制器等設備即可實現(xiàn)閥門的無線傳輸和智能控制；（2）具有本地、遠程無線、遠程有線、總線控制方式；（3）具有在線顯示功能，包括但不限于顯示閥門閥位狀態(tài)、開度值、報警信息等。（4）具備故障自診斷功能、相序識別功能、系統(tǒng)保護功能；（5）具有抗強電磁場和噪聲的干擾能力；（6）具有在線監(jiān)測功能。

1.1 結(jié)構(gòu)設計

無線電裝本體結(jié)構(gòu)主要由電動機、減速機構(gòu)、行程控制機構(gòu)、轉(zhuǎn)矩限制機構(gòu)、手動-電動切換機構(gòu)、開度指示器、控制箱、無線天線引入裝置等組成。本文著重研究無線電裝無線控制部分的實現(xiàn)，基于電裝箱體結(jié)構(gòu)特點，確定無線天線位置，設計無線天線引入裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無線控制閥門及無線天線引入裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of wireless control valve and wireless antenna lead-in device

無線天線引入裝置包括無線天線本體、天線轉(zhuǎn)接接頭、天線夾緊內(nèi)組件、天線連接器、同軸線纜、天線夾緊外組件、澆封樹脂、天線連接緊固部件等部分，具有以下結(jié)構(gòu)特點：（1）無線天線本體為防爆型天線；（2）利用閥門電裝現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，無線天線引入裝置通過天線轉(zhuǎn)接接頭與電裝原控制電纜引入孔隔爆內(nèi)螺紋連接，確定無線天線位置，實現(xiàn)無線天線與閥門電裝的結(jié)構(gòu)一體化；（3）天線轉(zhuǎn)接接頭一端與天線連接緊固部件隔爆外螺紋相連接，內(nèi)部設有同軸線纜、天線夾緊內(nèi)外組件等；（4）同軸線纜一端與天線本體電性連接，另一端依次穿過天線連接緊固部、天線轉(zhuǎn)接接頭、天線接入孔與天線連接器電性連接；（5）天線連接器與閥門電裝的無線控制射頻模塊電性連接，實現(xiàn)閥門電裝信號的無線傳輸；（6）天線夾緊內(nèi)組件的內(nèi)部設有通孔，通孔內(nèi)設若干個定位槽，同軸線纜穿過通孔，澆封導流槽向其注入澆封樹脂，填充同軸線纜與夾緊內(nèi)組件的接合面間隙，有效防止同軸線纜受到拉力或扭矩傳到連接件引起不穩(wěn)定或破壞性，同時增強天線固定夾緊裝置及閥門電裝的整體隔爆性能；（7）天線夾緊外組件與內(nèi)組件通過限位臺與凸臺形成止口接合面，有利于夾緊外組件和夾緊內(nèi)組件之間的限位連接。

無線天線引入裝置通過無線天線與同軸線纜電性連接至射頻模塊實現(xiàn)信號的接收/發(fā)送。當無線天線接收無線網(wǎng)關發(fā)送的命令時，無線控制模塊執(zhí)行開關控制命令；通過高精度編碼器實時采集閥門位置信號，接受位置反饋信號、故障信號，實現(xiàn)現(xiàn)場控制指令的下發(fā)，同時完成無線數(shù)據(jù)加/解密；采用多信道并行處理方式，將實時數(shù)據(jù)通過無線天線、無線網(wǎng)關發(fā)送至遠程控制系統(tǒng)，確保無線傳輸安全、穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)控制指令與反饋信號的無線傳輸及無線電裝結(jié)構(gòu)一體化。

1.2 硬件設計

系統(tǒng)硬件設計遵循模塊化、抗干擾和合理化原則，以380 V 交流電作為驅(qū)動電源，經(jīng)過整流、電源轉(zhuǎn)換模塊后為整個控制系統(tǒng)提供電源，控制過程通過對閥位給定信號和位置反饋信號進行比較后驅(qū)動和控制電機正傳或反轉(zhuǎn)，使閥門開啟/關閉運行至指定開度位置?？紤]無線電裝控制箱箱體可放置電路板的橫截面積有限，故將硬件分為主控板和人機交互板兩塊板進行設計。從功能上劃分，主要有電源模塊、核心控制模塊、驅(qū)動模塊、檢測模塊、通信模塊、人機交互模塊等?？刂葡到y(tǒng)硬件總體設計框架如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件總體設計框架Fig.2 Overall design framework of control system hardwar

1.2.1 核心控制模塊

核心控制模塊作為控制系統(tǒng)的核心，選用極海APM32F030CC，具備運行操作和一定的算法處理能力。核心控制模塊通過與檢測電路、電機驅(qū)動電路、通信電路等連接，處理閥位數(shù)據(jù)、電機驅(qū)動電流數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)及人機交互數(shù)據(jù)等；通過控制電機驅(qū)動的脈沖數(shù)量和脈沖頻率作為控制閥門開度位置和啟閉速度的輸入，通過實時采集閥門位置信號，確定閥門當前開度位置和開度速度、開度的達到率，判定系統(tǒng)的性能和故障信號，并輸出閥門運行狀態(tài)信息。

1.2.2 檢測模塊

檢測模塊包含閥位檢測、運行電流檢測、電源相位/相序檢測及溫度檢測，分別對閥門、電機、電源的運作狀態(tài)進行檢測。關于閥位檢測，采用18位多圈絕對位值編碼器，通過比例轉(zhuǎn)換獲取閥門位置信號，實時檢測閥位狀態(tài)。利用外置電流互感器及高精度AD 采集電路，實現(xiàn)電機驅(qū)動電流的實時檢測，并配合閥位數(shù)據(jù)判斷閥門運行狀態(tài)，如：堵轉(zhuǎn)，卡滯，密封圈松動或老化等。通過相序/缺項檢測模塊自動調(diào)整電機相序，無需人為調(diào)整輸入電源相序，確保電機始終按要求正反轉(zhuǎn)控制，并在缺項時停止電機驅(qū)動控制，避免因電源缺項引起的電機燒壞。電機中內(nèi)置溫度傳感器，通過設置溫度閾值方式，設定電機最高運行溫度，避免因電機溫度過高而引起損壞，實現(xiàn)溫度檢測。

1.2.3 通信模塊

通信模塊用來發(fā)送閥門狀態(tài)信息和接收指令信息，與數(shù)據(jù)加密/解密模塊連接，包括以太網(wǎng)接口、LoRa 通訊單元、RS485 通訊單元。

（1）以太網(wǎng)接口作為局域網(wǎng)用來接收上位機控制系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，經(jīng)過網(wǎng)關分析處理轉(zhuǎn)換為LoRa 無線指令下發(fā)到閥門電裝；同時網(wǎng)關的LoRa 接口接收智能閥上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議要求轉(zhuǎn)換為符合以太網(wǎng)格式數(shù)據(jù)包，上傳到上位機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制指令下達及狀態(tài)指令的上傳功能。

（2）LoRa 具有低功耗、可靠性高、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)延時低、抗干擾能力強等特點，無線通訊接口芯片采用SX1278 射頻芯片，為了擴大無線通訊鏈路的覆蓋范圍、提高鏈路的魯棒性，采用LoRa 擴頻調(diào)制和前向糾錯技術；為了增強系統(tǒng)抗干擾能力、解決單個數(shù)據(jù)包占用信道時間過長或信道數(shù)據(jù)擁堵問題，采用LoRa 跳頻技術，利用已有信道實現(xiàn)最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸和抗干擾性能。

（3）RS485 是通用的設備間串口通信接口，其串行通信方式是通過發(fā)送和接收二進制串行數(shù)據(jù)進行設備通信，在系統(tǒng)采用總線控制模式下，實現(xiàn)閥門電裝與網(wǎng)關的通訊功能，從而實現(xiàn)上位機系統(tǒng)對閥門電裝的遠程智能化控制。

無線電裝通過其LoRa 通訊單元、RS485 通訊單元、網(wǎng)關的以太網(wǎng)及LoRa 單元等通訊功能模塊，使控制系統(tǒng)具備多種控制可供選擇，極大地提高了控制系統(tǒng)建設的靈活性，間接降低了系統(tǒng)建設成本。

1.2.4 人機交互模塊

人機交互控制面板包括液晶顯示屏、開關以及LED 指示燈3 部分，主要由人機交互核心控制模塊、人機交互LCD 模塊、電源接口模塊、通訊接口模塊、本地控制檢測傳感器模塊、LED 指示燈、紅外通訊等構(gòu)成。人機交互界面通過設置不同工作模式選擇本地、遠程等狀態(tài)，通過液晶顯示屏實時查看閥門狀態(tài)、閥門開度、閥門電裝運行狀態(tài)及故障診斷情況，結(jié)合狀態(tài)參數(shù)設置控制系統(tǒng)運行來實現(xiàn)人機交互。

2 無線電裝軟件設計

無線電裝控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)操作流程包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、工作模式選擇、參數(shù)設置、電機控制、故障診斷及保護、人機交互等部分［11-13］。選用具有較高數(shù)據(jù)并發(fā)處理能力的FreeRTOS 作為軟件核心，具體操作流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)操作流程Fig.3 System operation flow chart

系統(tǒng)啟動時進行系統(tǒng)復位和初始化，包括I/O初始化、A/D 初始化、無線模塊初始化及外圍電路的初始化等；通過對系統(tǒng)進行自檢判斷是否有錯誤，若系統(tǒng)有錯誤則進行報警和錯誤處理，同時顯示錯誤信息；當錯誤處理后將重復進行系統(tǒng)自檢直至正常運行。根據(jù)閥位信號和給定信號的反饋控制電機的運行，并將閥門狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至上位機且完成數(shù)據(jù)LCD 顯示。

無線電裝控制算法邏輯如圖4 所示。控制算法及系統(tǒng)由控制運算模塊、存儲模塊、無線通信模塊、輸入模塊、輸出模塊等組成?？刂七\算模塊包括閥位控制算法、信號處理算法、故障診斷算法等，并考慮信號延遲、系統(tǒng)誤差、環(huán)境誤差、人為誤差等誤差；輸入模塊的輸入?yún)?shù)包括閥位、溫度、扭矩、電流、相序等；輸出模塊的輸出參數(shù)包括閥位、扭矩、時間、電流、啟停等。

圖4 無線電裝控制算法邏輯Fig.4 Control algorithm logic of wireless control valve

2.1 閥位控制算法

閥位控制算法是控制程序的核心部分。閥位控制算法包括減法器（S）、比例-積分-微分控制器（PID）、迭代學習控制器（ILC）、扭矩（N）以及閥位檢測編碼器（B）。

式中，Bd（k）為閥位的模擬位置信號，B（k）（t）為閥位的實際位置信號，下標k 為第k 次運行值。要求系統(tǒng)在時間t∈［0，T］內(nèi)B（1）（t）跟蹤期望輸出Bd（t）。

通過迭代學習控制器ILC 對PID 參數(shù)動態(tài)整定：

式中，K，I 和D 分別為閥位控制的比例放大系數(shù)、積分時間和微分時間；L 為學習律。

通過PID 算法調(diào)節(jié)扭矩輸入信號為：

式中，N（t）為扭矩輸入信號。

通過ILC 算法對PID 參數(shù)進行動態(tài)整定，利用PID 算法調(diào)節(jié)扭矩輸入信號，修正實際閥位計數(shù)值，調(diào)節(jié)扭矩來控制閥桿的轉(zhuǎn)動量，使閥位數(shù)值逐漸逼近模擬信號量，圖5 示出閥位控制命令。

圖5 閥位控制命令Fig.5 Control command of valve position

2.2 故障診斷算法

軟件系統(tǒng)結(jié)合相序/缺相檢測模塊、電流檢測模塊、閥位狀態(tài)檢測及溫度檢測，配合相應的故障檢測程序，依據(jù)預先設定的參數(shù)上限或下限及時檢測判斷出閥門是否產(chǎn)生故障，并啟動特定保護機制，保證閥門運行安全。主要故障類型包括系統(tǒng)故障（程序故障，數(shù)據(jù)故障和參數(shù)故障）、電源缺相、過力矩、執(zhí)行機構(gòu)卡死、限位故障、電機過溫等。故障診斷判定算法如圖6 所示。

圖6 故障診斷判定算法Fig.6 Decision algorithm of fault diagnosis

系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲單元，啟動執(zhí)行時會自動采集電流數(shù)據(jù)、閥位數(shù)據(jù)和執(zhí)行時間，基于閥位、電壓、電流、溫度和其他各類故障數(shù)據(jù)的監(jiān)控和收集，根據(jù)數(shù)據(jù)的關聯(lián)性和有效性，形成用于提前預測和判斷故障類型的數(shù)據(jù)庫，通過與閥門正常工況運動曲線進行對比分析，掌握和監(jiān)測閥門運行狀態(tài)。

當檢測模塊發(fā)現(xiàn)電源缺相時禁止閥門執(zhí)行；當力矩開關觸發(fā)或電流持續(xù)過載，此時如未設置ESD（超過力矩執(zhí)行）模式，則禁止閥門執(zhí)行。啟動執(zhí)行后，在一定時間內(nèi)若閥位狀態(tài)無變化，則執(zhí)行機構(gòu)可能發(fā)生卡死現(xiàn)象。若編碼器實時值小于Emin（開度為0%時對應編碼器值）或大于Emax（開度為100%時對應編碼器值）時可能出現(xiàn)限位故障；當頻繁開關閥時可能會引起電機過熱，此時若未設置ESD（超過溫執(zhí)行）模式，則禁止閥門執(zhí)行。

閥門正常工況行程與非正常工況行程對比如圖7 所示，圖中“正常工況行程”是閥門在正常運轉(zhuǎn)工況下的行程范圍；“非正常工況行程”是電機電流增大或延遲、機械間隙增大或發(fā)生卡滯現(xiàn)象時的閥門行程范圍；若在閥門開始運行時電機電流延遲增加且閥位未發(fā)生變化，說明可能存在機械間隙增大的現(xiàn)象，影響了閥門的正常運轉(zhuǎn)。

圖7 閥門正常工況行程與非正常工況行程對比Fig.7 Comparison diagram of valve travel under normal and abnormal conditions

3 無線電裝信號傳輸性能測試

無線信號的傳輸不僅與信號的發(fā)射功率、天線的增益、接收設備的靈敏度、頻率等有關，同時受多種不可控環(huán)境因素的影響，如復雜傳播環(huán)境、終端設備的隨機移動性、空間干擾、噪聲、自由空間衰減、高大建筑物等遮擋造成的繞射損耗等［14-17］。

3.1 測試過程

針對LoRa 在城市環(huán)境中的覆蓋能力及傳播損耗問題，對無線控制閥門選取道路覆蓋場景進行實地測試。選合肥市密集城區(qū)對470 MHz 傳播頻段進行覆蓋測試，采集傳輸過程如圖8 所示。

圖8 采集傳輸過程Fig.8 Acquisition and transmission process

（1）選擇某公司車間作為測試站址，將無線控制閥門整機置于該公司七樓車間位置，考慮無線控制閥門位置不易移動變化，固以此為中心節(jié)點。

（2）無線控制閥門無線天線高度約為20 m、收發(fā)頻率為470 MHz、擴頻因子SF=9、帶寬BW=125 kHz、編碼率為4/5。

（3）將無線網(wǎng)關傳輸距離視為變量，采用星型組網(wǎng)方式，在城市道路上全方位（東南西北）移動無線網(wǎng)關和上位機，以約為100 m 為步進逐漸拉大測試距離進行定點測試，直至信號傳輸失敗。

（4）在測試點位，通過上位機串口連接無線網(wǎng)關向無線控制閥門持續(xù)地發(fā)送測試命令數(shù)據(jù)包，當測試接收到有效記錄數(shù)達到10 個以上時，認為該測試點信號測試值穩(wěn)定有效，繼續(xù)下一個點位測試，測試過程中網(wǎng)關、天線等相關參數(shù)值見表1。

表1 測試過程中的相關參數(shù)值Tab.1 Relevant parameters during the test

（5）經(jīng)過實際環(huán)境點的測試，在受到樓宇、樹木、電磁信號等其他信號的干擾下，以星型組網(wǎng)形式確定13 個不同方位測試點信號傳輸穩(wěn)定，無線電裝能夠成功接受信號指令并執(zhí)行。

3.2 測試結(jié)果與分析

采集到的無線網(wǎng)關與無線控制閥門傳遞的信號強度RSSI 經(jīng)過采集、預處理、存儲、處理及顯示表達，去除異常值后記錄不同測試點接收網(wǎng)關下行數(shù)據(jù)包時的RSSI，同一測試點不同測試次數(shù)對應的RSSI 如圖9 所示，RSSI 隨著距離的增加呈指數(shù)衰減，符合信號衰減的普遍規(guī)律。

圖9 同一測試點不同測試次數(shù)對應的信號強度Fig.9 Diagram of signal strength corresponding to different test times at the same test point

不同覆蓋區(qū)域不同測試次數(shù)的實測路徑損耗值與自由空間路徑損耗曲線比較如圖10 所示，具體平均實測路徑損耗值和自由空間路徑損耗值見表2。

表2 測試性能參數(shù)Tab.2 Table of test performance parameters

圖10 實測損耗值與自由空間路徑損耗曲線比較Fig.10 Comparison between measured loss value and free space path reinforcement loss curve

當擴頻因子SF=9、帶寬BW=125 kHz 時的靈敏度Pr-min=-129.5 dBm，鏈路預算為155.5 dB，鏈路預算均大于不同測試點的實測路徑損耗值和自由空間路徑損耗值，本測試系統(tǒng)在測試覆蓋區(qū)域處可以實現(xiàn)正常通信。

考慮環(huán)境等不可控因素，路徑實測值整體大于自由空間損耗值，且隨著距離的增大，路徑損耗值均呈指數(shù)增加。不同測試點的RSSI 和路徑損耗值不同，測試點3，4 的有效覆蓋距離均為1.1 km，因測試方位和所面臨環(huán)境因素不同，如高層樓宇、廠房等建筑物和汽車鳴笛等噪音，故無線網(wǎng)關與無線控制閥門傳遞的RSSI 不同。信號傳播覆蓋距離與測試距離、RSSI 和路徑損耗有關，隨著測試距離的增大，RSSI 呈指數(shù)衰減，路徑損耗呈指數(shù)遞增。為提高測試過程信號的穩(wěn)定性和覆蓋距離，可以通過改善天線架設環(huán)境、優(yōu)化天線安裝方式和位置高度、降低傳播環(huán)境復雜性、增加發(fā)射功率、選擇特定傳播頻段等方式減少信號干擾、增加信號強度實現(xiàn)信號的有效傳輸。

4 無線控制閥門流量流阻測試系統(tǒng)

基于實際工業(yè)流體系統(tǒng)和無線控制閥門建立有關閥門流量流阻試驗測試系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系，通過精準控制、數(shù)據(jù)記錄、邊緣計算、云端存儲及數(shù)據(jù)分析等手段掌握閥門和管路系統(tǒng)的實時運行情況，實現(xiàn)閥門流量特性試驗和閥門全生命周期監(jiān)測。無線控制閥門流量流阻測試系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖11 所示。

圖11 無線控制閥門流量流阻測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.11 Architecture of control system for wireless control valve

測試系統(tǒng)主體分為機械循環(huán)部分和測控部分。機械循環(huán)部分包括循環(huán)水源、動力系統(tǒng)、穩(wěn)壓裝置、測試管路、無線控制閥門、被試閥等；測控部分包括流量傳感器、流量校驗系統(tǒng)、壓力傳感器、壓差傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、LoRa 無線網(wǎng)關、計算機、變頻控制柜等。

根據(jù)被試閥壓力和流量確定測試管路大小，通過控制和監(jiān)控穩(wěn)壓裝置和動力系統(tǒng)中水泵的啟停、調(diào)節(jié)變頻器的頻率和無線控制閥門的開度實現(xiàn)管路介質(zhì)流速和壓力的調(diào)節(jié)；利用LoRa 無線網(wǎng)關實現(xiàn)控制系統(tǒng)與無線控制閥門節(jié)點單元之間信號、命令及數(shù)據(jù)的傳遞。其中LoRa 無線網(wǎng)關與無線控制閥門節(jié)點單元間采用LoRa 自組網(wǎng)協(xié)議，同時支持多個無線控制閥門節(jié)點單元，具體通過對每臺閥門終端配置不同的節(jié)點號，實現(xiàn)閥門終端的唯一識別和點對點控制?？刂葡到y(tǒng)通過LoRa無線網(wǎng)關發(fā)送的數(shù)據(jù)和閥門終端的節(jié)點號找到對應的閥門終端，交互各類無線控制閥門節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)、報警信息和控制類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對無線控制閥門節(jié)點單元的在線監(jiān)控和遠程控制。

通過電磁流量計、壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器等確定被試閥閥前閥后壓力、直管段壓差、流量、溫度等數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集、處理、顯示、分析測試過程中閥門狀態(tài)信息及管路信息等數(shù)據(jù)，同時通過測控軟件記錄試驗操作過程、采集數(shù)據(jù)、生成曲線及報表，通過網(wǎng)絡層實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)閥門流量特性試驗的遠程無線控制。

5 結(jié)論

（1）利用無線天線引入裝置替代電動裝置控制電纜實現(xiàn)信號的無線傳輸和無線電裝結(jié)構(gòu)一體化；無線電裝控制算法及軟件系統(tǒng)設計實現(xiàn)閥門遠程無線控制和狀態(tài)檢測。

（2）實測表明，無線電裝閥門在有效覆蓋范圍內(nèi)能夠準確接收、執(zhí)行上位機指令，最遠信號覆蓋距離可達到1.2 km；通過改善天線架設環(huán)境、優(yōu)化天線安裝方式和位置高度、降低傳播環(huán)境復雜性、增加發(fā)射功率、選擇特定傳播頻段等方式增加信號覆蓋距離實現(xiàn)信號的有效傳輸。

（3）無線電裝的應用解決了閥門流量流阻測試系統(tǒng)敷線繁瑣等問題，同時利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)與LoRa 無線通訊完成無線電裝與控制系統(tǒng)的對接，監(jiān)測掌握了閥門和管路系統(tǒng)的實時運行情況，實現(xiàn)閥門流量特性試驗、閥門全生命周期的遠程監(jiān)測和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系全面結(jié)合。