基于Lora技术的城市供热监测系统设计

2019-12-04党存禄李永强

自动化仪表 2019年11期

党存禄，李永强

(1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省先进工业过程控制重点实验室，甘肃兰州 730050；3.兰州理工大学国家级电气与控制工程教学中心，甘肃兰州 730050)

0 引言

集中供热系统存在的问题是大部分系统处于半自动化运行或人工调节状态，热源、供热管网和换热站的运行数据依靠抄表和电话上报，整个系统的自动化程度和效率低下且往往伴随着供热中断的现象，严重影响了居民的生活质量。随着物联网技术以及无线技术的快速发展，人们提出智慧城市概念[3]，城市的集中供热监控系统也朝着自动化、科技化、智能化方向发展。为了解决传统供热系统存在的问题与不足，需要采用先进的科学技术对集中供热系统进行改造和提升。劳拉(long rang，Lora)技术是一种基于线性Chirp扩频调制和前向纠错编码技术的新兴广域网技术[1]，具有功耗低、传输距离远的特点，大大提升了接收端识别信号的灵敏度和信噪比(signal to noise ratio,SNR)，保证了信号传输的鲁棒性和抗干扰性。Lora技术对建筑物也具有更强的穿透能力，解决了某些地下管网或者地下室因信号差难以传输数据的问题。

本文选用Lora低功耗广域网技术和上位机软件对集中供热系统的热源、换热站、管网和热用户的主要运行参数、管网信息、设备运行状况进行动态监测，从而优化热源的调度，保障供热过程的安全、高效运行。

1 系统总体设计方案

城市供热监控系统总体由传感器节点、网关、网络服务器和PC软件四部分构成。Lora模块与各类传感器、执行器相连，采集供热一次网和二次网的压力、流量、热水温度以及泵和阀门运行状态等数据，经微控制单元处理后经无线收发器调制扩频发送给网关。网关对其汇总解调，并将其上传给网络服务器和上位机。网关与终端之间遵循Lorawan协议。数据传输过程中，数据流通过网络会话密钥(NwkSkey)和应用中断密钥(AppSkey)来保证数据完整性。NwkSkey在终端设备与网络服务器之间共享，用于加密和解密应用程序数据。

系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计图

2 系统硬件结构

2.1 传感器节点模块

传感器节点模块由温度传感器、压力传感器、流量传感器以及Lora终端F8L10T组成。F8L10T内置高性能工业级芯片和无线收发器，支持速率自适应(adaptive ddate rate,ADR)算法、多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗、延长电池寿命。模块提供5路I/O口，将I/O口配置成模拟量输入，可实现A/D采集功能。F8L10T作为一种嵌入式无线终端，内部结构按模块可划分为微处理器、电源管理模块、射频模块、UART转换模块、内存模块及周边电路。

2.1.1 电源管理模块

Lora模块由于使用较低的发射速率和定时唤醒模式，具有很低的功耗。考虑到本文供热系统中的Lora设备要大多放在无法插座供电的供热设备上，因而系统采用9 V的锂电池对其供电。模块芯片工作电压为3.3 V。为确保电源供电稳定、可靠且无噪声，在电源的输入端设计了一个线性稳压器。它采用AP2139AK-3.3TRG1贴片，具有输出电压稳定、低输出波纹、低噪声的特点。降压电路如图2所示。

图2 降压电路

2.1.2 射频模块

射频模块采用CMT2380F32超低功耗射频收发器，使用扩频调制和前向纠错技术。与传统的频移键控(frequency shift keying,FSK)、开关键控(on off keying，OOK)调制技术相比，Lora扩大了无线通信链路的覆盖范围，实现了远距离无线传输，提高了链路的鲁棒性。CMT2380F32支持高达+20 dBm的发射功率及-121 dBm的接收灵敏度，集成了丰富的外设，支持标准的UART、I2C和SPI接口，并支持多种数据包格式和编解码方式、至多64位 Tx/Rx FIFO及高精度RSSI和多通道输入12位ADC等。射频模块如图3所示。

图3 射频模块

图3中，AS179为射频开关。当管脚A使能高电平、管脚B使能低电平时，RF2打开进入接收模式，天线感应进来的射频信号。经π型电路处理以后，通过正交混频电路变频至中频，由镜像抑制滤波器滤波，限幅放大器进一步放大后送入数字域作数字解调处理。当电平B高A低时，调制数据由一个高效的单端功率放大器通过RFO管脚发射。输出功率可以通过寄存器读写。

2.1.3 硬件复位

MCU控制三极管复位电路如图4所示。

图4 MCU控制三极管复位电路

由于工作环境复杂、工作时间长，模块存在死机、假连接等异常状况。出现异常时如何自动恢复，在设计模块时必须充分考虑。F8L10T默认上电立即启动，没有开机和关机引脚，但是提供一个硬件复位管脚，数字输入，低电平有效。由于模块采用锂电池供电，所以系统采用MCU控制RESET脚(复位)为低电平200 ms，使模块硬复位，类似于处理器硬复位。

2.2 网关

网关选用内置32位CPU系统和Lora通信模块的F8926-L物联网无线通信路由器。该网关配置有以太网接口模块、交换机模块、WiFi模块以及蜂窝无线模块，具有强大的数据处理和协议转换功能。F8926-L网关数据接收灵敏度可达到-140 dBm，无论发射端是否使用同一频率发射数据，只要不同的终端使用不同的扩频码，网关便可轻易识别，从而保证数据接收不收影响。这使得F8926-L网关具有较大的网络容量，满足了供热管网覆盖面积广、监测点多的要求。

3 系统软件设计

3.1 节点坐标定位

系统中节点坐标要写入数据库中，因此要收集节点坐标。本文先运用接收信号强度指示(received signal strength indication,RSSI)测距原理测量建立信号衰减模型[2-7]，进而测量节点与上位机距离，再运用三边定位法对其坐标进行定位。RSSI算法是运用传输损耗来进行测距的，传输损耗的计算是通过对发送功率和接收功率进行测量后进行计算的。该算法的优势在于不需要安装额外的设备，成本小且容易实现。另外，Lora技术抗干扰能力及物体穿透力较强，信号传播中受多径反射的影响较小，测量的结果误差相对较小，可实现精准定位。RSSI信号衰减模型为：

RSSI=A-10ηlog(d)+v

(1)

式中：A为常数；η为路径损耗指数；d为发送端与接收端的距离；v为环境噪声，其通常为均值为0的高斯分布随机变量。

RSSI值距离拟合曲线如图5所示。

图5 RSSI值距离拟合曲线

以兰州理工大学为例，本文设定电信大楼C513为基点，初始坐标为(0,0,20)，每隔20 m测量多个不同位置的RSSI值，通过求取其加权平均值抵消到环境噪声的影响。RSSI值的测量要将F8L10T模块转换到AT模式并显示其信号强度值，通过串口工具下发相同的数据包便可得其信号衰减值。上位机与终端距离在20 m之内时，RSSI值达到峰值117，随后随着距离的增大，RSSI值呈现对数函数型衰减。当距离值超过700时，RSSI值维持在50而不随距离增大而改变。

通过RSSI测量值散点图，运用最小二乘法拟合信号衰减模型距离曲线作为校园环境信号衰减模型:

RSSI=115-2.261log(d)

(2)

运用均值RSSI数值测量信号距离的公式为：

(3)

根据三边定位法，待定位节点收到三个不同的已知坐标的应用节点发送相同数据包，测得其接收端RSSI值。根据信号衰减模型测出距离，接着运用三边定位法计算节点坐标。待测节点与3个已知锚节点的未知关系如式(4)所示：

(4)

式中：(X,Y,Z)为待测节点坐标；(X1,Y2,Z3)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)分别为3个锚节点坐标数据。

化简后，转换为矩阵形式：

QX=B

(5)

式中：Q为3×3维矩阵；X为坐标向量;B为3维向量。

(6)

X=[XYZ]T

(7)

(8)

则待测节点坐标X=Q-1B。

3.2 定时激活模式

无线网络应用采用低功耗操作模式，即空中唤醒模式：即使节点处于休眠状态，当节点需要工作时，也可以通过无线方式直接唤醒该节点。空中唤醒的基本原理是：唤醒发起端在有效数据前头加一段较长的前导码，待唤醒端的无线节点进行周期性唤醒，监听网络。一旦捕捉到前导码就进入正常的接收流程，若没有则立即休眠，等待下一次唤醒。定时激活模式如图6所示。

图6 定时激活模式

数据交互流程如图7所示。

图7 数据交互流程图

由于终端和网关共享32个信道，且均遵循Lorawan协议，所以终端通信模块与网关通信模块设计近似。这就为定时手法收发提供了硬件基础。网关周期性发送前导码，终端周期性地打开接收窗口，监听到前导码后，解析下行链路帧地址与终端设备地址是否匹配、有效信息是否完整，确定无误后开始信道检查、发送数据。网关承担网络中枢的功能，将终端发送的数据打包封装传输给上位机监控软件反映终端管网系统参数，并将其传输到云服务器进行数据备份。管理人员根据系统参数进行反馈操作，下发的数据包由网关解析为感知层协议能够识别的控制指令再下发给终端，完成一次完整的数据交互。

3.3 组态界面设计

网关和主机通过RS-485相连，网关接收传感器节点发送的采集数据，并通过RS-485串行总线实时发给主控机。上位机程序收集供热系统温度、流量、压力等信息，存储于数据库系统中。在监控界面，可以实现历史曲线、报表查询、报警显示等功能。一旦某项数据超出阈值，上位机程序会进行蜂鸣器报警，并以短信等方式通知管理人员，以便管理人员实时作出决策，调度人力物力及时排除故障，防止意外事故的发生。

4 系统测试与运行

考虑到温度、压力、流量等采集信号均为低频信号且Lora模块模拟量采集口均接收0～5 V的电压信号，本文利用正弦波波表采用单片机控制程序来控制PCF8591芯片，使其输出一个正弦波来模拟采集信号。PCF8591是一个单电源。低功耗的8位CMOS数据采集元件， AIN0～3为4路模拟量输入，AOUT用于模拟量输出，AO、A1、A2用于编程硬件地址，单片机通过I2C总线发送3个字节与PCF8591进行通信。第一个字节与EEPROM类似为器件地址字节，前七位代表地址，最后一位为读/写方向。第二个字节为控制字节，用于控制PCF5891的功能，这一字节第6位为D/A使能位，设置为1以实现模拟电压输出功能，第4位和第5位可将PCF8591的4路模拟输入配置为单端模式或差分模式。第三个字节为D/A数据寄存器字节，表示模拟输出的电压值。由于信号为低频信号，程序源码中选取了32个点建立了正弦波表，定时器计数频率设定为1 Hz。核心控制程序如下：

Void main()

{EA=1; ConfigTimer0(1);

pWave=SinWave; SetWaveFreq=(0.03125) }

Void SetDACOut(unsigned char val)

{

I2C Start();

If(!I2C Write(0x48<<1))

{I2C Stop(); return();}

I2C Write(0x40);

I2C Write(val);

I2C Stop();

}

Vref为基准源，用杜邦线将Vref与外围J17双排插针上的+5 V CC短接，可以产生一个+5 V的基准电压，再将AOUT端口和GND插针分别接在F8L10T的I/O口和GND口便可实现信号的采集。报警表示当系统中某些量的值超过所规定的临界值时，系统自动生成相应的警告信息，表明数量值已超限值，提醒操作人员。由于温度、压力和流量均为同一种类型的信号，测试过程中仅建立一个iotest的数据库变量便可验证整个系统的运行状况。系统测试时，运用单片机供给采集终端连续变化的模拟电压信号，数据库变量iotest的报警上限值设为4.2 V，下限值设为1 V。经测试，上位机监控界面运行日志中能够实时显示终端设备信息、系统工作模式及网络连接状况。当终端采集值超出报警阈值区间时，报警窗口事项闪烁显示并且蜂鸣器发出警报。云端数据库可有效调用历史运行数据及历史曲线，运用Android客户端也可访问网络服务器监测供热官网运行状况。测试证明，该系统不仅可以有效地采集电压信号并实现报警功能[8-10]，而且能够正常存储和调离数据。