基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统设计

康 晋

(杨凌职业技术学院 信息工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

随着工业自动化水平的不断提升，工业机器人已经成为了企业生产的必需品，对工业机器人进行远程监测控制也成为高效生产的主要手段。在工业机器人上安装一系列关于生产的软硬件程序虽然能够快速提升生产量，但是从企业的整体量产控制方面来讲，不能对工业机器人的实时产量和工作状态进行参数控制，所以对工业机器人的远程监控系统的设计成为了当前的研究重点[1-2]。

以往有研究人员设计了基于视频监控技术的工业机器人远程监控系统，该系统的一切硬件设备均在视频监控下运行，而视频监控所获取的工作参数需要通过互联网进行核心数据的上传，还要对这些数据进行后期的音频处理。系统中所采集的数据大多以视频的方式体现，虽然具有良好的可观性，但是对于系统的基础平台依赖性较高[3]。还有学者提出了基于RTMP协议的移动直播系统，该系统通过移动智能设备对运动的工业机器人进行数据采集，在采集的过程中同时完成传输方案的制定，具有较高的数据传输速度，但是该系统只能通过RTMP协议才能完成数据传输，系统中的监测参数不能在外部端口播放，数据转发性能与交流互通性能不理想[4]。

本文基于LoRa无线通信设计了一种工业机器人远程监控系统。重点研究了LoRa扩频调制方式下的远程通信功能，确定LoRa无线通信技术在远程监控系统中的可行性。

1 工业机器人远程监控系统硬件设计

工业机器人远程监控系统硬件主要由主控芯片设计、数据接口设计、电源电路设计、位移传感器设计、报警器设计及可编程逻辑设计实现。工业机器人远程监控系统硬件整体结构如图1所示。

图1 工业机器人远程监控系统硬件整体结构

1.1 主控芯片设计

基于LoRa无线通信的主控芯片在调制功能方面有着突出表现，本文为了进一步突出LoRa无线通信的调制功能，选用Stemtech公司的SX1265/7/8型号射频芯片，分别处理不同场景下的监控数据。SX1265型号射频芯片频带范围为138～1 028 MHz，扩频因子为10个，可以支持LoRa的各种调制模式，还可以与其他的同类芯片进行通信宽带的连接。SX1267型号射频芯片如图2所示。

图2 SX1267型号射频芯片

观察图2可知，SX1267型号射频芯片的频带范围同样为138～1 028 MHz，扩频因子为8个，该芯片可以作为无线通信数据传输的保障元件，与其他的芯片相比，其具有更好的射频信号检测功能[5]。SX1268型号射频芯片的频带范围为138～596 MHz，扩频因子为5个，该芯片的灵敏度较高，在运行的过程中不需要自身电流的消耗，可以根据场景的不同来检测处理外部信号[6-8]。

本文还选用stm32F103C8T6型号MCU主控芯片作为LoRa无线通信的组网处理硬件，安装在64位的控制器中对数据组网的数据内容进行调节，主控芯片的周边还装置有6个设备，分别是FLASH、RAM、串行通讯口、定时器、计时器和输入输出接口，保证系统数据传输通讯的基本要求， stm32F103C8T6型号MCU主控芯片性能如表1所示。

表1 stm32F103C8T6型号芯片性能

根据表1的stm32F103C8T6型号MCU主控芯片性能建立信号链，如图3所示。

图3 MCU信号链

根据图3可知，MCU信号链在采集和控制过程，经过两次信号放大器放大，通过模数转换器和数模转换器来实现信息转换，并引入微控制器实现微控制。

1.2 工业机器人数据接口设计

基于LoRa无线通信的工业机器人的无线收发装置、单片机、PC主机、数据控制器等设备上均有数据接口，本文在这些设备与设备之间的接口具有互通性基础上，引用SPI接口，SPI接口具有同步串行接口技术，内部与SX1276无线收发装置和单片机设备连接的同时，外部还可以与ADC、LCD等通信设备关联[9-10]。工业机器人数据接口如图4所示。

图4 工业机器人数据接口

由图4可知，工业机器人数据接口通过XFER接法进行数据连接，数据接口的地址线最低为A0，在A0为1时，信号会进入8位数据寄存器，当A0为0时，信号会进入4位数据寄存器，其他设备之间的接口应用了MISO数据线，数据线相比SPI接口具有更好的主动性[11-12]。当单片机型号为STM32系列时，便需要使用UART接口来完成通信任务，因为该型号接口与单片机下端设备具有更好的关联性[13]。

1.3 工业机器人电源电路设计

本文根据LoRa无线通信的基本用电量和工业机器人的数据处理量，设定采用锂电池作为各类芯片的主电源，电压控制在4.2 V左右，选用的锂电池还具有防止倒充的功能。锂电池周边的电路控制板上使用TP4056型号充电数据管理芯片，该芯片在锂电池中可以调节充电的恒定电流值范围，当锂电池中的电压不稳定时，可以控制锂离子在电池中重新组合。电源电路板采用SOP8封装材料。锂电池电源电路图如图5所示。

图5 锂电池电源电路图

根据图5可知，TP4056型号充电数据管理芯片共有8个引脚，其中6、7引脚与二极管阴极连接，二极管的阳极与电阻连接，可以起到保护和限流的作用，2、4引脚分别与电阻和电容连接，起到充电时指示灯指示的功能。1、3、5、8引脚分别在芯片中起到电流传输和串并联的作用[14-15]。

在电源电路中还引用了AME8800AEETL稳压芯片，帮助锂电池电源电压稳定，该芯片主要在稳压器中起到核心作用，最大的输入电压为6.4 V，可控稳定电压为2.4V，还分别在芯片两个引脚处加设两个4个电容，起到滤波和电压稳定的作用。AME8800AEETL稳压芯片所在电路图如图6所示。

图6 AME8800AEETL稳压芯片电路图

根据图6可知，本文研究的AME8800AEETL稳压芯片共有4个电容，通过1个电阻连接芯片，共有3个电路接地。

1.4 工业机器人位移传感器设计

由于基于LoRa无线通信的工业机器人的工作环境比较稳定，极少情况下能遇见恶劣环境，所以本文选择WXY31拉线式位移传感器，将传感器的拉线安装在工业机器人的内表面中，可以减少不必要的空间制造[16]。该位移传感器上的拉线可以360°旋转，在拉线的两端均安装了信号传输器和光电编码器，光电编码器在接收到通信信号时，与信号传输器相配合，完成后续的传感数据接收任务。LoRa无线通信本身具有抗干扰能力强、传输距离远的优势，为此只需要一个32位信道、1 MHz频率的收发器即可完成传感信息的通信地址自行组建，扩大了位移传感器的感知范围。

1.5 报警器设计

为方便用户使用，本文设计的报警器以文本的形式存在于单片机数据组中。分析远程监控系统内部的信息是否超过安全范围，如果已经超出安全范围，需要连接上位机，将超出的内容通过以太网传给报警电路，在传输过程中要遵照Modbus协议，PLC所接收的数据要与单片机的数据保持一致，在保存之前，需要进行验证，判断AT指令是否能够将文本形式的内容传递给DTU，通过DTU向指定的联系人发送信息。

报警器内部设置了DTU模块，用户可以通过设置参数，完成无线传输。电脑同时设置了超级终端能够完成波特率计算，配备短信唤醒功能。在发送短信时，DTU无线模块能够发送信号，通过GPRS无线传输发送数据，并提供报警短信。通讯接口极为丰富，用户在日后使用中也可以二次开发，完成系统集成工作，用户可以通过报警器的接口实现扩展。无限期能够支持语言和状态选择功能，系统在通讯和运行过程的上传费用都能得以降低，系统的通讯模块更加方便。

1.6 可编程逻辑设计

通过PLC配合集成器完成更加复杂的远程监控，在确保系统能够满足监控要求的同时，提高系统的性能，使系统维护更加方便。利用汇编语言执行各项要求，提高可编程逻辑的通用性，同时使系统具备可移植性。

本文选用的PLC为德国西门子公司生产的PLC，本文选用的西门子为S7系列，具有紧凑的结构，能够在内部存储执行逻辑运算的指令，在短时间内实现通讯，实现自动监控。由于S7系列具备大、中、小3种系统，所以需要分析3种小型可编程控制器，本文选用小型可编程控制器，通过设置丰富的指令集提高系统的可靠性，增强逻辑能力，降低价格。S7-200 PLC通过主机、扩展模块和通讯接口完成信息接触。PLC内部结构如图7所示。

图7 PLC内部结构

根据图7可知，PLC主要通过状态LED、存储器卡、通信口、顶部端子盖、前盖和底部端子盖组成。通过分析监控环境，设计I/O点数，实现通讯，降低价格成本。将西门子200系列型号作为CPU能够取代传统的监控方式，通过智能的方式完成参数控制。PLC能够配合多种协议，如PPI通讯协议、MPI通讯协议以及自定义协议，通过外扩的方式实现通讯。在PLC上设置丰富的I/O口，完成数字信息的输入，支持模拟量输入和输出，如果控制的任务较为复杂，可以通过扩展不同的模块，完成多数字量的输入和输出工作。内部的RS-485通讯/编程口实现触屏通讯。

2 基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统软件设计

2.1 基于LoRa无线通信技术的工业机器人远程监控数据采集

数据采集是LoRa无线通信技术实现的基础，尤其是在工业机器人的远程监控操作流程中，需要将实时采集的数据上传到LoRa主控节点上，经过主控节点对数据的处理和通信，从而实现了远程监控的数据入网流程[17]。

LoRa无线通讯利用远距离无线电完成通信，与其它的通信方式相比，在相同功耗下，传播的距离更远。LoRa无线通讯采用的工作频率为ISM频段，内部的一个网管就能够同时连接上万个LoRa节点，确保通信能力。通信速率的加长，使传输速率随之变快，在速率变低的情况下，能够传输更远的距离。扩频技术的引用，使LoRa无线通讯模式具备纠错能力。

本文研究的LoRa无线通讯模式能够同时支持FSK和GFSK等调试方式，在软件通讯过程中，本文结合了频谱拓宽技术，有效增加工作频段，通过内嵌自组网透明传输协议，完成一键组网。系统内核资源呈现开放模式，能够通过大容量FLASH完成二次开发，适用于物联网通信中。

通过对两端脉冲信号的实际位移量审核就可以判断出实际的机器人位移量。位移量误差计算公式如公式(1)所示：

(1)

其中:Wppm表示位移量误差，单位为m；FT表示实际距离，单位为m；FC表示设置距离，单位为m。

得到工业机器人的实际位移量后，LoRa无线通信中的数据储存程序开始运作，将整个机器人的位移信号划分为初始信号、中间信号、停止信号和呼应信号。LoRa无线通信的总线接口也根据高电平和低电平设定SCL时钟线和SDA时钟线，SCL时钟线代表高电平状态，SDA时钟线代表低电平状态，进入LoRa无线通信总接口后的信号在高、低电平状态的相互配合下进入到ACK等待区域，等待高、低电平同频时，即完成了信号的储存[18]。采用透明传输模式实现透明信息协议传输，在不同的UART之间建立无形的传输线，用户在使用过程中，不需要了解复杂的无线传输协议，也能够完成网络搭建，从而降低施工难度。电路电流存储公式为：

(2)

其中:IBAT表示存储的电流，单位为电流；VPROG表示信号电压，单位为电压；RPROG表示接地电阻，单位为电阻[19]。

采用定点发射的模式，从目标地址和目标信道中提取数据，在核心地址通道中实现处理，输出给多个地址通道中，不同的地址通道，输出模式不同。LoRa无线通讯支持广播发射，设置的配置模式为M1=1、M0=1，能够同时支持指令和上位机完成配置，上位机采用的进制显示方式为十进制显示。在同样的信道内部，系统配备同一密钥，系统能够完成读写操作。不同的LOra模块能够区分不同的模块，自己传输模式，完成M1或M0配备，实现信息传输。

根据电路存储电流计算滤波器元件的分电流，计算公式如公式(3)所示：

I=IBAT-It

(3)

其中:I为滤波器元件的分电流；It为其他部位电流。

2.2 工业机器人远程监控系统软件实现

工业机器人远程监控系统软件的功能主要包括远程监控、历史查询、超预警等。采用C++编程技术，在 VisualStudio中使用视窗表单进行人机对话，远程监控系统采用 SQL语句与云端服务器 MySQL数据库进行数据操作(增、删、改、查)，使工作人员可以通过远程 PC端登陆，并将上文中计算的位移量误差、电路电流及分电流计算结果传输到LoRa主控节点上，经过主控节点对数据的处理和通信，从而实现了远程监控的数据入网流程，而数据终端的接收采集平台下发的监控指令，实时更新显示屏上的机器人工作状态[20-22]。通过选择时间可以对机器人的历史资料进行检索，并根据现场的具体条件设置相应的机器人移动参数的临界点，实现工业机器人工作状态远程监控。如发生突发情况或其他原因，则远程监控系统的警报窗口将会发出红色警告，以通知工作人员进行处理。

综上所述，基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统软件设计流程图如图8所示。

图8 工业机器人远程监控系统软件设计流程图

3 实验研究

为了验证本文设计的基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统的有效性，分别检测抗干扰性能和功耗。选用本文研究的监控系统以及传统监控系统对工业机器人进行监控。

3.1 抗干扰性能

为了检测工业机器人远程监测系统的抗电磁干扰能力，测试示意图如图9所示。

图9 电磁干扰示意图

根据图9可知，设置的测试环境为微波暗室，采用一个封闭的环境，通过信号发生器、功率放大器、天线、控制器设置。同时进行室内场强校正和测试，并进行调节。

设置极化频率范围为100 M～2 000 MHz，由机电产生电磁能量干扰，人工干预每个频点，在每个频点输入电磁干扰能量，停留3 s，得到的人工场强干预下的测试图如图10所示。

图10 人工场强干预下的测试图

在校正场强过程中，通过各向同性场传感器校准场强测量偏差，确定该误差，输出X轴，Y轴和Z轴的频率响应校正因子。根据图10可知，在500 MHz之中，校正场强和测量场强出现了多次波动。本文研究的监控方法能够精准地检测出校正结果和测量结果，校正场强和测量场强频率起始点一致，未校正前场强出现多次峰谷，校正后场强峰谷数值降低。

3.2 功耗测试实验结果

在实验检测之前得到储存时序图，LoRa无线通信信号储存时序图如图11所示。

图11 LoRa无线通信信号储存时序图

观察图11可知，基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统最后实现监控功能的为LoRa模块控制流程。LoRa模块只有配置状态和通信状态，在工业机器人监控系统处于启动状态下，LoRa模块则处于通信状态，此时工业机器人的所有动作参数都准备在LoRa模块中对外输出，这时LoRa模块中的串口函数开始对输入数据计算，并在检测抗干扰性能后，得到功耗测试结果，选用本文系统和传统基于视频监控技术的工业机器人远程监控系统、基于RTMP协议的移动直播系统进行对比，得到的实验结果如表2所示。

表2 功耗测试实验结果

根据表2可知，本文研究的系统功耗明显低于传统系统功耗。在10次实验中，本文提出的远程监控系统对工业机器人监控功耗始终低于0.07 mA，系统消耗的功耗在0.05～0.07 mA之间，整体消耗功率较低，满足用户提出的要求，符合节能化配置。传统的基于视频监控技术的工业机器人远程监控系统消耗的功率始终在2～3 mA之间，是本文设计系统的4倍，消耗功率过高。基于RTMP协议的移动直播系统消耗功率在10次实验中，甚至可以达到3 mA以上，巨大的能量消耗难以适用于实际工作中。

造成这种现象的原因是本文提出的系统在进行数据采集的过程中，直接将数据采集节点上的传输端口与LoRa无线通信节点相关联，并按照LoRa无线通信的主控节点入网配置来设定无线通信的地址。LoRa无线通信的信号接收端口也要及时采集工业机器人控制端口的监控指令，唤醒MCU解析位移传感器数据程序。LoRa无线通信对工业机器人的远程信号输出方式为脉冲输出形式，当传感器在工业机器人内部线性旋转时，脉冲也随之发送出去，与LoRa无线通信的信号相互呼应，因此功耗较低。

3.3 工业机器人远程监控系统监控准确性测试

测试3种系统的工业机器人位移误差监控准确性，对比结果如图12所示。

图12 工业机器人位移误差监控准确性

分析图12实验结果可知，本文系统监测到的工业机器人位移误差与实际工业机器人位移误差值较为接近，位移误差监控准确性达到99%，远高于其他两种方法。实验结果表明，本文系统的监控准确性较好。

综上所述，本文设计的基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统在对工业机器人进行监控的过程中，体现出极好的监控能力，能够在外界干扰较强的状态下实现监控，系统运行过程中消耗功率较低，工作能力更强，适用于实际的工业机器人操作中。

4 结束语

LoRa无线通信技术结合监测系统的各个硬件平台会拥有更强的表达能力，本文研究基于LoRa无线通信的监控硬件设备和电路，实现LoRa无线通信在工业机器人平台上的网络拓扑结构设计。本文还重点研究了LoRa无线通信模块在工业机器人平台上的具体功能实现，从射频角度、信号传输环境方面以及LoRaLoRa无线通信的自身特点，解决了传统系统的过度依赖平台和信号互通性能不理想的缺陷。但是对于时序研究不够充分，未来需要进一步深入分析。