基于LoRa技术的冷却塔自组网远程监控系统*

江伟冲 黄祖健 谭小卫 邓伟军

基于LoRa技术的冷却塔自组网远程监控系统*

江伟冲1黄祖健1谭小卫2邓伟军2

（1.广东新菱空调科技有限公司 2.新菱空调（佛冈）有限公司）

为满足冷却塔实时化、组网化及远距离监控的需要，设计一款基于LoRa技术的冷却塔自组网远程监控系统。采用LoRa技术实现冷却塔远程组网通信，降低了监控成本。与传统的冷却塔监控装置比较，该系统具有布设灵活、信号穿透能力强、低功耗和低成本等优点，具有较好的推广前景。

冷却塔；LoRa；物联网；远程监控

0　引言

冷却塔是循环冷却系统的末端冷却装置，亦是重要组成部分[1]，其性能好坏直接影响整个冷却系统的效率。冷却塔安装环境较为恶劣，且缺乏便捷的监控手段，运行人员无法对其进行有效监管，因此实现冷却塔的实时与远程监控具有重要意义。近年来，得益于网络化测控技术的快速发展，冷却塔监控技术也日渐成熟。天津科技大学施晓宽等[2]采用PLC控制器实现冷却塔风机的实时监控，其远程监控通过工业以太网实现。该研究重点在于风机故障远程监测，不涉及性能监控。华南理工大学刘文浩等[3]设计了冷却塔热力性能监控系统与远程监控平台，该监控系统通过监控装置采集现场各类参数，与计算机连接后通过Internet或3G模块与网络服务器建立连接，从而实现冷却塔的实时监测与远程监控。但该系统在实际布设中灵活性差、监控成本较高，且没有实现冷却塔的组网化集中管理。

随着物联网技术的发展，冷却塔远程监控逐渐往更智能的无线、组网化集中管理方向发展。本文在前期积累的冷却塔参数测量与优化控制技术的基础上[4-8]，研究基于LoRa技术[9-12]的冷却塔远程组网监控，搭建监控系统的硬件框架，并对关键模块进行软硬件设计。

1　监控系统框架设计

1.1　监控系统设计目标

冷却塔远程监控系统设计核心是实现冷却塔组网化集中管理的同时满足用户正常监控需求，主要达到以下目标：

1）自动化，实现参数自动采集、传输和存储；

2）灵活化，监控节点满足灵活布设要求，且信号传输稳定；

3）网络化，实现冷却塔组网化监控，满足冷却塔监控中心集中管理；同时用户可通过网络连接到监控中心，对各自设备进行信息查阅、控制等操作。

1.2　监控系统框架及工作原理

根据冷却塔远程监控系统的设计目标，基于LoRa技术的冷却塔远程监控系统框架如图1所示，由监控节点网络、LoRa基站、监控中心和用户服务器等组成[13]。

监控系统工作原理：1）通过LoRa组网透传模块的自组网功能，建立一主多从的监控节点网络；2）主监控节点与LoRa基站直接通过LoRa网络传输主/从监控节点采集的参数信息；3） LoRa基站将采集的参数信息通过Wi-Fi上传到监控中心；4）监控中心对多个监控节点进行集中管理；5）用户通过Internet等网络访问监控中心，查阅各自监控节点的信息，并修改控制参数；6）修改后的指令经监控中心，依次通过Wi-Fi、LoRa传输方式，反馈到监控节点网络，实现控制参数的修改。

图1　基于LoRa技术的冷却塔远程监控系统框架

2　监控系统实现

监控系统的实现关键在于数据的准确采集与传输，及其在监控界面的清晰化呈现。

2.1　感知节点硬件设计

监控节点包括感知节点和执行单元。感知节点负责采集冷却塔运行参数信息、环境参数信息和电参数信息；执行单元接收用户端发出的指令后，对冷却塔的执行机构进行调控，主要通过变频调节实现风机和水泵的控制。

冷却塔处于较恶劣的环境，通常需要与风机、水泵控制室分开布置。为提高监控装置现场布设的灵活性，将感知节点（各类传感器及其处理器）和执行单元分开布置。感知节点硬件架构如图2所示。各模块作用如表1所示。

表1　感知节点各模块作用

图2　感知节点硬件架构[3]

2.2　监控节点自组网设计

本文采用LM400T工业级LoRa组网透传模块，模块通过透明传输协议传输，借助其自组网功能，无需复杂无线传输协议[14]，即可一键搭建监控节点网络。自组网功能命令如表2所示。

表2　自组网功能命令

模块自组网功能默认关闭，当自组网使能字节设置为1后，模块将打开自组网功能。节点类型0和1分别表示该节点为主监控节点和从监控节点。

自组网功能激活后，建立一主多从的星形网络拓扑结构，主监控节点自动选择周围未被占用的物理信道和调制参数，形成独立网络，并自动给每个从监控节点分配一个唯一的本地网络地址，使其能够加入网络与主监控节点通讯。

2.3　监控中心界面设计

基于LoRa技术的冷却塔远程监控系统的软件设计关键是监控中心软件平台。监控中心是连接监控节点与用户之间的桥梁，其设计的合理性直接影响用户操作的便捷性体验。如图3所示，监控中心软件平台界面有设计参数模块、实时监控参数模块、运行曲线与图表绘制模块以及节点管理模块。平台管理人员可通过自搜索功能添加监控节点，实现多个冷却塔的集中管理。

3 系统应用

本文设计的基于LoRa技术的冷却塔自组网远程监控系统在某地铁站的3台冷却塔进行实际现场试点应用，经应用验证表明：该系统监控节点现场布设灵活、操作便捷，有效减轻维护人员工作量，提高工作效率。

4　结语

本文设计了一种基于LoRa技术的冷却塔自组网远程监控系统，主要内容包括：

1）对监控节点进行硬件设计，实现冷却塔参数的准确采集；

图3　监控中心平台界面

2）采用低功耗的LoRa无线通信模块实现监控节点的自组网及其监控数据的远距离无线传输。现场应用结果表明：该系统解决了冷却塔的组网化集中管理需求，可满足客户的监控要求。

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Cooling Tower Self-Organized Network Remote Monitoring System Based on LoRa Technology

Jiang Weichong1Huang Zujian1Tan Xiaowei2Deng Weijun2

(1. Guangdong Sinro Air-conditioning Technology Co., Ltd. 2. SINRO Air-Conditioning (Fogang) Co., Ltd.)

In order to meet the needs of real-time cooling, networking and remote monitoring of cooling towers, a remote monitoring system for cooling tower self-organizing network based on LoRa technology is designed. LoRa technology is used to realize remote networking communication of cooling towers, which reduces monitoring costs. Compared with the traditional cooling tower monitoring device, it has the advantages of flexible layout, strong signal penetration capability, low power consumption and low cost, and has a good promotion prospect.

Cooling Tower; LoRa; Internet of Things; Remote Monitoring

江伟冲，男，1982年生，专科，工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。E-mail: jwc@sinro.com

黄祖健，男，1962年生，高中，高级工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。

谭小卫，女，1971年生，本科，高级工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。

邓伟军，男，1978年生，专科，高级工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。

国家重点研发计划项目（2017YFC0704100）