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電子論文

基于物聯網及云平臺的工廠環境遠程監控系統

時間:2020年09月30日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:以低功耗廣域物聯網(LPWAN) LORA 和NB-IOT 技術為基礎,利用機智云平臺,設計出一種適用于大空間范圍的環境監控系統。該系統通過各監測點的LORA 終端對環境參數進行采集并無線發送至LORA 集中器,后者將數據處理后經NB-IOT 模塊傳送至機智云平臺,從而

  摘要:以低功耗廣域物聯網(LPWAN) LORA 和NB-IOT 技術為基礎,利用機智云平臺,設計出一種適用于大空間范圍的環境監控系統。該系統通過各監測點的LORA 終端對環境參數進行采集并無線發送至LORA 集中器,后者將數據處理后經NB-IOT 模塊傳送至機智云平臺,從而可通過機智云移動電話APP 訪問云端實現工廠環境的遠程實時監控。系統同時具有基于LabView 界面和485 總線的現場監控功能。通過測試,系統工作穩定、通信可靠、參數檢測和相應控制準確,達到了實用要求,具有較高的應用和推廣價值。

  關鍵詞:物聯網;云平臺;工廠環境;遠程監控

物聯網

  1系統總體設計

  本系統主要由LORA 終端、LORA 集中器、NB-IOT 模塊、機智云平臺、PC 主機及智能移動電話終端等組成。系統采用星型拓撲結構,具有結構簡單和低功耗的特點[7]。

  從功能上可將整個系統分為3 層:感知層、傳輸層及應用層。感知層為安置在廠區各處的LORA 終端系統, 每個LORA 終端包含了對應各環境參數的傳感器組、STM32 核心控制板、LORA 無線通信模塊、相關接口。傳感器對各種環境信息進行采集后,STM32 板將數據進行分析處理并通過LORA 模塊無線匯集到LORA 集中器[8]。傳輸層主要包括LORA 集中器組、NB-IOT 模塊和RS485 總線等,負責感知層和應用層之間的遠程信息交互。應用層包括機智云平臺、智能終端、監控主機等,主要用于存儲、分析、監控各環境數據。監控主機用于現場的監控;機智云平臺和智能終端共同實現遠程監控,突破了時間空間的限制。

  1.1感知層系統

  感知層主要完成現場各環境參數的信息采集、處理、上傳等任務,并執行云端或上位機下發的相關控制命令。該層由分布于監測空間各處的多個LORA 終端系統組成,LORA 終端以STM32 控制板為核心,搭載傳感器組、LORA通信模塊。

  1.1.1傳感器組

  由各種環境參數對應的檢測傳感器組成,并可根據具體場合進行增減。主要由溫濕度傳感器、光照強度傳感器、空氣粉塵濃度傳感器 (檢測空氣中的灰塵煙塵和霧霾顆粒等)、可燃氣體傳感器、毒性氣體 (如CO、煤氣、液化石油氣等) 傳感器等[9]。各傳感器的型號對應為:DHT22、BH1750FVI、GP2Y1010AU0F、MQ-5、MQ-9。

  (1)電路連接

  因篇幅所限在此僅以溫濕度傳感器為例進行介紹。DHT22 為含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型數字式傳感器, 其溫濕度數據均為16 bit,采用單總線串口通信、單列4 針腳封裝,便于嵌入式系統集成。模塊具有體積小、功耗低、傳輸距離長、穩定可靠等特點, 非常適合本設計的需要[10]。DHT22 供電電壓為3.3~6 V,同時考慮其單總線雙向通信的需要而選用STM32 控制板通用雙向IO口與之連接。

  (2)數據格式

  DHT22 采用單總線數據格式。DATA 引腳用來與微處理器進行同步和通信,一次通信時間 5 ms 左右,傳輸數據40 bit, 高位在前, 低位在后, 具體格式為: 16 bit 濕度數據+16 bit 溫度數據+8 bit 校驗和,程序代碼依據此格式進行時序控制與數據處理。其中,8 bit 校驗和為 16 bit 濕度數據和16 bit 溫度數據拆分為高、低4 個字節,然后求和,取和的低

  8 bit。例如,濕度數據:0000 0011 1000 1100;濕度數據:

  0000 0001 1010 1110; 則 8bit 校驗和為 0000 0011 + 10001100+0000 0001+1010 1110 結果的低8 bit,為0011 1100;于是最終 40 bit 數據為: 0000 0011 1000 1100 0000 0001 10101110 0011 1100 。

  (3)通信時序

  DHT22 為從機工作模式,空閑時總線為高電平,用戶主機 (STM32) 發送一次低電平開始信號將DHT22 從低功耗模式喚醒到高速模式。主機開始信號結束后,DHT22 首先發送一個 80 μs 左右的低電平響應信號;隨后拉高 80 μs 并進入40 bit 的數據傳送過程。每bit 數據由50 μs 的低電平和一個高電平組成,低電平代表數據位的開始,高電平長度代表數據位的值,較長的高電平代表1、較短的高電平代表0。

  1.1.2STM32 控制板

  STM32 為LORA終端和集中器的控制核心,本設計選用ST 公司Cortex-M3 架構的32 位主流ARM 芯片STM32F103RCT6, 其供電電壓2~3.6 V,為64 腳LQFP 封裝,內部集成256 kB 的FLASH 程序存儲器和48 kB 的RAM 存儲器,自帶CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB 等多種多個通信接口,非常適合與各類型傳感器和通信模塊的嵌入式連接[11]。

  STM32 板最小系統,包括電源、晶振、復位電路外,還需進行如下處理:(1) BOOT0 和BOOT1 經10 kΩ下拉電阻接地;(2) 電池供電的BEAT 引腳經100 μF 電容上拉到 3.3 V;

  (3) 模擬量引腳VDDA 和VSSA 分別經0R 磁珠與3.3 V 和GND 連接,并在兩引腳間并聯104 電容。上電復位電路采用X5043 芯片,同時用于數據的斷電存儲。

  因為LORA 終端系統需要用到基本的繼電器輸出,用于掉線、參數超標等的聲光報警或向風扇、空調等發出控制信號,所以,該電路采用光電耦合器PC817 進行內外電路系統的光電隔離,可大大提高系統的抗干擾能力。

  1.1.3LORA通信模塊

  LORA 終端的無線通信功能通過ATK-LORA-01 模塊來實現,該模塊采用基于LORA 技術的SX1278 擴頻芯片并集成32 位高性能MCU,具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。模塊收發同體(模塊可設置為發送或接收端),通過AT 指令實現功能配置、通信控制和模式選擇等; 使用433 MHz 免費工業頻段,自組網通信,不會產生通信費用[12]。LORA 終端與LORA 集中器通過各自的ATK-LORA-01 模塊進行無線通信。

  1.2傳輸層系統

  傳輸層主要功能為LORA 本地系統內的信息無線收發, LORA 集中器與現場主控電腦的通信,LORA 集中器與云平臺的連接等。具體系統為LORA 集中器。包括STM32 板與LORA 模塊的連接、STM32 板與主控電腦的RS485 接口設計、STM32 板與物聯網云平臺間的NB-IOT 連接設計等。因為傳輸距離、功能要求等不同,本系統有兩種無線網絡部署:本地各LORA 終端、LORA 集中器之間的LORA 無線網,LORA集中器與云平臺之間遠程連接的NB-IOT 網絡。

  1.2.1集中器的LORA模塊

  集中器的LORA 模塊主要負責與各LORA 終端進行通信, 收集各終端設備采集的環境數據并發送相關控制信號。具體為 STM32 板與ATK-LORA-01 模塊的連接和控制。其中STM32 板、ATK-LORA-01 模塊及其相互連接與LO⁃ RA 終端設計相同,只是STM32 程序和ATK-LORA-01 模塊的控制邏輯根據具體功能而不同[13]。

  1.2.2RS485 總線接口

  LORA 集中器通過RS-485 總線 (差分信號傳輸、抗干擾能力強) 將各終端數據上傳給現場監控主機,并接收主機下發的相關指令。

  1.2.3NB-IOT 模塊的接口電路

  窄帶物聯網NB-IOT 受到國內三大電信運營商的大力推廣和全面部署,其信號覆蓋范圍甚至超過了手機信號,它的出現使物聯網通信得以突破空間的限制,有信號覆蓋的任何地方都可以通過NB-IOT 模塊與物聯網云平臺進行數據傳輸,并可通過遠程網絡終端進行監控[14]。在此選用NB-IOT 模塊型號為WH-NB73,具有資料詳實、接口簡單 (WH-NB73 模塊與STM32 板之間通過串口和AT 指令進行連接)、穩定可靠等特點[15]。

  1.3應用層系統

  應用層主要包括工廠環境的現場監控和遠程監控兩部分。其中,現場監控系統采用LabView設計功能界面,監控主 機經USB-485 轉換模塊與LORA 集中器的RS-485 總線接口連接進行監測數據和控制信號的傳輸,從而實現工業現場的環境監控。而工廠環境的遠程監控則通過物聯網云平臺及智能終端APP 聯合實現。

  1.3.1機智云平臺應用

  隨著物聯網技術的飛速發展,各種物聯網云平臺不斷涌現,但它們的功能強弱有別、使用門檻高低不同,具體應根據實際情況選擇,本設計采用機智云平臺。

  機智云是同時面向企業和個人開發者的、從智能硬件接入到應用管理的全生命周期的物聯網云服務平臺。平臺能自動生成已封裝設定協議的MCU 代碼(只需進行數據節點和相關邏輯的編寫), 提供 APP 開發的 SDK 代碼或 APP 成品Demo,提供直連機智云的相關通信模組固件,如此大大降低了物聯網應用的技術門檻,并使開發效率得到極大提高[16]。

  物聯網論文范例:物聯網業務識別模型初步方案

  2結束語

  本文設計了一種基于LORA、NB-IOT 技術與機智云平臺的工廠環境遠程監控系統,給出了系統的整體結構,分別對感知層、傳輸層和應用層進行了設計, 包括各種傳感器、STM32 控制板、LORA 通信、NB-IOT 通信、機智云物聯網平臺、智能終端APP 等。系統設計合理,功能穩定可靠,充分利用了當前新技術新理念,實用性和可推廣性強,通過實際測試能夠達到實用要求。

  參考文獻:

  [1]佚名.天嘉宜"3.21"爆炸事故:安全和污染問題的雙重考驗[J]. 環球聚氨酯,2019(03):49-52.

  [2]SinhaRS, WeiY, HwangSH. A survey on LPWA technology: Lo⁃ Ra and NB-IoT[J].lctExpress,2017,3 (1).

  仲宇璐,李娜. 基于LORA 技術的農業大棚溫室監測系統設計[J]. 淮北職業技術學院學報,2019,18(2):111-112.

  蜂窩上的萬物互聯:NB-IoT[C].未來移動通訊論壇.2016.

  蔡友宏. 基于NB-IoT 和OneNet 云平臺的環境監測系統[J]. 電子技術與軟件工程, 2018(24): 51-52.

  作者:張玉麗

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