基于UWB+LoRa的料堆环境监测系统

2021-10-10孟庆志

物联网技术 2021年9期

孟庆志，刘庚

（济南祥控自动化设备有限公司，山东济南 250101）

0 引言

封闭料场中的料堆，如煤堆、粮食堆、秸秆垛、烟草堆垛等，由于长时间堆放、堆内通风性差等原因，温度容易升高，导致自燃、霉变、释放有毒有害气体等，给企业造成经济损失[1-3]。因此，对料堆表面及内部进行实时精确定位监测很有必要。

物联网技术的发展与应用，为料堆实时精确定位监测提供了更多技术选项。超宽带（UWB）技术采用极窄的脉冲信号进行信息传递，无需使用载波信号进行调整，由于其特殊的通信方式，其定位精度可达厘米级，相较于红外线、射频收发、WiFi、ZigBee、视觉定位等室内定位技术，UWB定位具有高定位精度、高穿透力、高时间分辨率和较强的抗多路径能力等优点[4-5]。

在低功耗广域网（LPWAN）产生之前，远距离和低功耗两者只能有取舍。LoRa是LPWAN通信技术中一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本等特性，改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供了一种简单的能实现远距离、延长电池寿命、大容量的系统，扩展了传感网络[6]。

本文运用UWB室内无线定位技术和LoRa无线传输技术，设计了一种料堆环境监测系统，以实现灵活改变料堆监测位置、即插即获取环境数据、可靠无线传输和精确坐标定位等环境监测功能。

1 系统设计

料堆环境监测系统主要包括智能无线探杆、UWB定位基站、现场监控主机和上位机。系统拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑结构

智能无线探杆用于采集料堆环境数据，并将数据通过LoRa无线模块传输至现场监控主机，同时通过UWB定位标签向UWB定位基站发送通信帧。

UWB定位系统由UWB定位标签、UWB基站和定位服务器组成。UWB基站安装在封闭的料场室内顶部，基站位置和定位精度强相关，需要进行精准测量校正。

基站通过POE交换机和现场监控主机的光端机将定位数据传输至上位机。上位机兼具UWB定位服务器的功能，可通过定位算法解算出每个无线探杆的精确位置坐标。

现场监控主机实时接收、处理和显示各无线探杆上传的传感器数据，并将环境数据传输至上位机，同时读取上位机解算出的各无线探杆的位置坐标数据。

2 硬件设计

2.1 智能无线探杆设计

智能无线探杆采用不锈钢探杆和表头结构。不锈钢探杆内有多个温度传感器节点，使用时可将不锈钢探杆插入料堆内部，实现料堆内部测温。探杆末端可集成温湿度传感器，用于需要测量料堆内部湿度或水分含量的场合。对于需要测量料堆表面释放有毒有害气体浓度的场景，可将不锈钢探杆更换成气体传感器探头。

无线探杆由微控制器、温湿度传感器接口、温度传感器接口、气体传感器接口、电池管理单元、触发按键接口、LoRa通信模块、UWB定位标签模块组成，硬件结构如图2所示。

图2 智能无线探杆硬件结构

微控制器选用意法半导体公司出品的STM32L152超低功耗单片机，该单片机内部集成有低功耗实时时钟（RTC）和一组在待机模式下仍然通电的备份寄存器，用于芯片定时唤醒。集成的LCD控制器有一个内置的LCD电压发生器，允许驱动多达8个多路LCD，方便数据显示。

无线探杆采用可充电锂电池供电，电池管理单元用于电池充放电，以及各传感器接口、LoRa通信模块、UWB定位标签模块的低功耗省电管理。

探杆设计有外部触发按键接口，可实现外部实时唤醒和实时时钟定时唤醒2种软件唤醒模式。

2.1.1 传感器接口设计

传感器接口设计有温湿度传感器接口、温度传感器接口和气体传感器接口，可根据实际项目功能要求更换传感器探头类型。

温湿度传感器接口支持瑞士ScnSirion公司出品的SHT11数字温湿度传感器芯片，该芯片同时集成有温度和湿度传感器，可提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能。芯片在测量和通信结束后自动转入低功耗模式。

温度传感器接口支持DS18B20温度传感器多节点工作模式，可实现料堆内部多个位置的温度测量。DS18B20温度传感器为美国DALLAS公司出品的支持多点组网功能的数字温度传感器芯片，芯片采用先进的单总线数据通信方式，多个DS18B20可并联在唯一的三线接口上，实现多点组网测温。芯片测温范围为-55～125 ℃，在-10～85 ℃时精度可达±0.5 ℃，可满足绝大多数料堆的温度测量要求。

气体传感器接口采用模拟量输入方式，可通过更换气体探头实现CH4、CO、CO2、PH3等常见料堆释放气体类型的浓度检测。

2.1.2 LoRa模块设计

LoRa模块采用有人物联网公司出品的WH-L101-L模块。模块支持点对点通信协议，可实现UART转LoRa数传功能；传输距离可达3 500 m；支持低功耗工作模式；接收灵敏度可达-138.5 dBm，接收灵敏度高，抗干扰性强；支持数据加密传输，安全性高；支持AT指令配置，内置看门狗，稳定运行不死机；小尺寸SMT封装，便于嵌入使用。LoRa模块接口电路如图3所示。

图3 LoRa模块接口电路

2.1.3 UWB定位标签设计

UWB定位标签选用DWM1000模块，模块基于Decawave公司出品的DW1000 超宽带收发芯片，并将天线、全射频电路、电源管理和时钟电路集成在一个模块上，可用于双向测距或时差（TDOA）定位系统，实现10 cm精度定位，支持高达6.8 Mb/s数据传输[7-8]。

UWB定位标签模块集成在智能无线探杆内部采集电路板上，其向周围发送纳秒级脉冲信号，固定安装在周围的UWB基站接收并测量上述脉冲信号，经过滤波等处理，各自计算得到脉冲信号的到达时刻等定位测量信息。UWB定位标签模块接口电路如图4所示。

图4 UWB定位标签模块接口电路

UWB定位基站选用市面上采用DW1000 超宽带收发芯片技术的成熟定位基站，以实现与UWB定位标签的性能适配。

2.2 现场监控主机

现场监控主机硬件结构如图5所示，主要包括电源管理单元、控制板、触摸屏显示器、声光报警接口、上位机通信接口、LoRa通信模块和功能按钮接口。

图5 现场监控主机硬件结构

控制板通过LoRa通信模块接收各无线探杆上传的传感器数据，并通过上位机通信接口定时从上位机读取各无线探杆的位置坐标信息和响应上位机的探杆数据读取命令。当探杆传感器数据超出报警阈值时，控制板启动主机声光报警器进行超限声光报警。

触摸屏显示器实时读取控制板数据寄存器区的各无线探杆的传感器数据和定位数据，并进行画面显示。触摸屏显示器通过存储卡实现数据存储，可进行历史报警记录、历史数据及趋势图查看等。

现场监控主机可通过功能按钮执行切换画面、报警确认、就地手动控制等操作。

3 软件设计

3.1 无线探杆软件设计

无线探杆软件流程如图6所示。探杆上电后首先进行系统时钟、RTC实时时钟和各模块初始化，然后传感器进行数据采集，并通过LoRa通信模块将传感器数据上传至现场监控主机，通过UWB定位标签向料场内的基站发射探杆位置信号，随后无线探杆进入休眠模式。

图6 无线探杆软件流程

休眠期间，微控制器内集成的低功耗实时时钟持续计时，每次计时周期结束后，实时时钟自动唤醒微控制器，微控制器被唤醒后从实时时钟唤醒入口继续执行传感器数据采集、LoRa无线传输、UWB定位信号发送等程序，程序执行完毕后再次进入休眠模式，等待下一次计时周期唤醒。

3.2 通信唤醒机制

为满足低功耗要求，最大限度延长电池使用时间，无线探杆每次通信结束后自动进入休眠状态，同时将各传感器接口、LoRa模块接口和UWB定位标签接口断电。系统设计有2种唤醒通信机制：外部按键中断触发唤醒和RTC实时时钟定时唤醒。

外部按键中断触发唤醒：通过外部按键中断触发微控制器立即唤醒，继续执行程序，对于需要即时获取料堆监测点传感数据和定位信息的应用，可执行外部按键中断触发唤醒机制。

RTC实时时钟定时唤醒：通过微控制器内部集成的RTC模块执行定时唤醒程序，执行完毕后，重新进入休眠状态。

3.3 UWB无线定位算法

按照测量参数的不同，UWB的定位方法可以分为接收信号强度法（RSSI ）、到达角度法（AOA）、到达时间法（TOF）和到达时间差法（TDOA）等[9-10]。

TDOA定位是一种利用时间差进行计算的方法。精准的绝对时间相对较难测量，通过比较信号到达各UWB定位基站的时间差，计算出信号到各定位基站的距离差，即可做出以定位基站为焦点，距离差为长轴的双曲线，三组双曲线的交点即为定位标签位置，如图7所示。不同于TOF，TDOA通过检测信号到达2个基站的时间差，而不是通过到达的绝对时间来确定移动台的位置，因此降低了系统对时间同步的要求。本系统采用TDOA定位算法进行智能无线探杆定位。

图7 TDOA算法标签定位示意图

如图7所示，UWB定位基站的坐标分别为R1(x1, y1)，R2(x2, y2)，R3(x3, y3)，R4(x4, y4)，基站R1，R2，R3，R4在安装部署时位置固定且坐标已知，所求定位标签的坐标为O(x0, y0)。

假设脉冲信号从定位标签O到达基站R1、R2、R3、R4的时间为 t1、t2、t3、t4，分别以 (R1、R4)，(R2、R4)，(R3、R4)作为焦点，定位标签O发送的信号到两基站间的距离差为常数，可以得到3组双曲线，双曲线的交点即为定位标签O的坐标。

求解坐标(x0, y0)的方程如下：

式中，v为脉冲信号的传播速度。通过上述公式即可求出定位标签坐标O(x0, y0)的解。

3.4 现场监控主机通信报文

由于现场监控主机数据不仅要上传至上位机电脑，有些工业现场还需为DCS系统、组态软件提供数据，所以本系统现场监控主机与上位机通信采用通用的Modbus TCP通信协议。Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型，Modbus TCP是由施耐德公司推出的基于以太网TCP/IP的Modbus协议。标准的Modbus协议物理层接口有RS 232、RS 422、RS 485和以太网接口，采用Master/Slave方式通信。上位机的软件设计在本文中未涉及。现场监控主机数据寄存器区单个无线探杆的通信报文格式见表1所列。

表1 数据寄存器区定义

4 系统运行

系统以封闭煤场中的煤堆作为运行测试对象，煤场内有4个并排布置的条形煤堆，分别标记为1#、2#、3#、4#料堆，将煤场左上角作为定位坐标原点，并将每个煤堆按照实际测量长度划分为8个相等区域。智能无线探杆的UWB定位标签接入煤场堆取料机UWB定位基站系统。系统运行结果如图8所示，8个智能无线探杆通过LoRa无线模块传输的数据正确、稳定，改变任意无线探杆的探测区域位置，UWB定位系统均能精确定位，并在界面中对应区域显示探杆名称。