基于Lora技術的生產設備聯網工程設計與實現

焦利強 王波 張自強 馬海淞

摘 要 Lora技術由Semtech公司創建，被Semtech公司解釋為物聯網的DNA，是一種遠距離，低功耗的無線標準，該技術以低速率，和遠距離，低成本的特點，被人們廣泛運用于儀器儀表等非實時通訊場合。本文主要介紹一種將Lora技術用于生產設備聯網的一個架構設計及實現重點事項。

關鍵詞 設備聯網;Lora;信息化

項目背景目前園區大概有200余臺的設備，每臺設備的購置成本都很高。綜合計算下來，機器人成本在千萬級別。如果不合理利用，極容易提高成本。欲通過計算機技術手段實現機器人當前運行狀態的實施監控，促進管理提升，通過合理調度，做到提高資產利用率，減少成本浪費。

由于現場經常會做工藝改善，導致現場生產設備具有一定流動性，如果采用有線連接，會由于設備遷移而破壞線纜，導致浪費。故本次選擇無線方案。根據用戶對設備狀態的需求調研，對實時性的要求分析。Lora技術可以通過一定架構設計，可以滿足相關的設計。

1項目目的

以較低成本，高靈活性實現設備狀態的采集。

2項目設計

2.1 項目硬件架構

該架構分為現場層和應用層兩部分。其中現場層中，只需在某區域部署一個網關，即可于多臺設備建立數據連接。

由于邊緣計算模塊與設備側傳感器一對一對應，通過模擬量傳輸，可確保設備狀態信息的不丟失。

網關模塊按照順序與邊緣模塊建立通訊，采集各統計信息，并形成了緩存。設計上確保信息實時可讀。

計算機實時訪問網關模塊緩存，確保了信息的連續性。

2.2 架構模塊介紹

設備： 生產設備。

邊緣計算模塊： 包含模擬量輸入，AD變換，計算模塊，通訊模塊等。用于與設備傳感器實時通訊，并做基本的數據處理;通過UART口與Lora模塊連接與網關進行數據交換。

通訊模塊： 此處為獨立的Lora模塊，把邊緣模塊通信信息調制為低頻電磁波信號。再接收端，通信模塊解調信號，轉換為數字信號，傳入網關模塊

網關模塊：負責對各邊緣計算進行點名，查詢狀態信息，并將各邊緣模塊信息存儲在本地，同時通過網絡接口連接園區網，實現與采集服務的數據連接。

采集服務：采集軟件通過可靠的有線通訊方式，此處為以太網，與網關進行通訊。查詢網關各邊緣計算模塊的緩存數據。轉存到數據庫[1]。

數據庫：用于存儲采集的數據。

2.3 Lora信道設計

工程所用Lora模塊為格力能環院自產的COM09.經咨詢技術支持和驗證測試，如果保證不干擾，所設計信道相鄰中心頻率距離應不小于750Khz，Lora模塊頻率支持范圍為470～510Mhz。為了避免與其他設備的中心頻率干擾，根據現場設備數量和現場復雜度等因素考慮，設計如下：

設置頻率為起始頻率。公式為max（上一個車間的起始頻率+冗余空間*0.8，上一個車間的起始頻率+1）。

冗余空間以供后期擴展或硬件升級使用。

設計信道考慮如下因素：

（1） 盡量少的無線信道占用。無線信道為有限資源，邊緣模塊為設備專用，網關也為項目專用，相對占用較多。這里盡量把信道集中，以減少信道占用。

（2） 盡量多的冗余信道空間，后期根據對設備的推廣，性能和效率的提高可進行再規劃。

（3） 頻率復用，由于電磁波在室內衰減較快，兩個不相鄰車間可用相同頻率。可直接用于初始設計，和后期推廣設計。

2.4 網關配置

網關內配置各邊緣模塊地址，通過各地址，實現與邊緣模塊的數據查詢，并存儲。

2.5 硬件架構性能評估

項目所用模塊，每個數據查詢大概耗時穩定在1.7秒到1.8秒，超時時間設置為3秒。可通過計算得知，如果某網關下配置10個邊緣模塊，點名周期為30秒。50個邊緣模塊，即為150秒，約2.5分鐘。及網關內的緩存延時為2.5分鐘左右。

重點事項提示：

利用無線信道進行通訊，最大的問題就是信道如何設計，確保工程項目的成功。既要保證占用盡量少的信道，又要保證留足盡量多的冗余，以確保項目的可推廣性及可用性。

2.6 采集軟件的實現

設備采集軟件用于和網關進行通訊，采用應答模式，根據設備映射地址讀取設備信息。

設備查詢模塊核心解析代碼：

本代碼采用python的struct模塊進行解析數據包，實現了設備能源數據解析[2]。

3項目總結

（1）240臺的設備的狀態采集，存儲于數據庫，用于后期的狀態分析。

（2）由于采用了無線傳輸，實現了設備數據采集的靈活性。當設備在區域內遷移，不需要做任何配置變動，如果區域變動，只需配置相應的地址即可實現設備的聯網恢復。

（3）由于Lora技術的低成本使用，及省去了網線的布設，成本相對較低。

參考文獻

[1] 閆寧，楊磊.關于物聯網NB-IoT和LoRa的技術分析[J].中國新通信，2019（9）：58-59.

[2] Mark Lutz著，李軍，劉紅偉，等譯. Python學習手冊[M].北京：機械工業出版社，2011：119.

作者簡介

焦利強（1984-），男，河南浚縣人;畢業院校：河南大學，專業：電子信息科學與技術，學歷：本科，現就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯網應用。

王波（1984-），男，河南開封人;畢業院校：北京航空航天大學北海學院，專業：軟件工程，學歷：本科，現就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯網應用。

張自強（1984-），男，河南開封人;畢業院校：北華大學，專業：自動化，學歷：本科，現就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯網應用。

馬海淞（1989-），男，河南項城人;畢業院校：安陽工學院，專業：機械設計及其自動化，學歷：本科，現就職單位：格力電器（鄭州）有限公司，研究方向：物聯網應用。