基于LoRa遠距離傳輸的陰極保護電壓測試系統開發

中國民航大學機場學院 天津 300300

機場油罐由于微生物存在等種種原因，極易發生腐蝕，導致油品的損失，甚至導致油罐的損壞。金屬腐蝕后電位會發生變化，因此，檢查油罐是否發生腐蝕損壞的常用手段便是通過對電位進行檢測。現階段，多數航油罐區的陰極保護測試仍然采用人工檢測的方式，費時費力，且油庫為防爆區域，人員進入罐區進行檢測存在安全隱患。隨著自動化技術的發展，已經有能力結束人工檢測的傳統方式，轉變成省時省力，安全便捷且高效的遠程監測模式。若使用常見的無線傳輸方式，功耗較高，需要鋪設線路以供電。本論文基于LoRa遠距離傳輸的陰極保護電壓測試系統開發。

1 LoRa無線傳輸方式

LoRa遠距離傳輸通信系統全稱為Long Range Radio，是一種基于擴頻技術的低功耗長距離無線通信技術，由美國Semtech公司于2013年8月發布。[1]它最大特點就是在同樣的功耗下，比其他方式傳輸距離更遠，可達十幾公里，城市1到2公里，郊區可達20km，電池壽命理論上可以用10年，實現了低功耗與遠距離的統一。在同樣的功耗下，比傳統的無線射頻通信距離多至3到5倍。總體來說，LoRa技術提高了信號接受的靈敏度，能夠以較低功耗實現長距離信號傳輸和大范圍覆蓋，具有較強的鏈路預算，經常用于電池供電的終端設備。[2]我們通過查閱資料比較了LoRa、ZigBee、WiFi和BLE的各種特性，最終綜合考慮傳輸距離、功耗、成本等原因認為LoRa是最合適的無線通信方式。LoRa在各個實際領域都取得了不錯的成果，已經是一項成熟的物聯網技術。

2 測量電壓模塊

電壓測量的范圍和精度是此裝置的重點部分。測量常用的測量電路有3種實現方式:1、通過運放、單極性ADC芯片構成測量電路；2、采用雙極性ADC芯片；3、采用電壓測量模塊。

方案1:需要通過運放電路對輸入電壓進行比例放大，將輸入電壓轉換到ADC芯片量程范圍內。根據任務目標輸入電壓范圍為正負5V，因此運放需要雙電源供電，增加了電路設計的復雜性。同時雙電源產生電路會引入噪聲，影響測量精度。

方案2:采用雙極性ADC芯片大大簡化了電路的設計。但是在后續實驗過程中發現該ADC芯片在測量低電壓時會出現較大誤差。

方案3:采用成熟的電壓測量模塊，測量范圍+-5V，0.02%的基本精度，測量分辨率可達0.001V。

本論文采用成熟的電壓測量模塊，其擁有很高的精度以及測量分辨率，是一種比較復雜，但是準確度很高的測量方式。該模塊具有一下特性:

·四位半測量精度，直流電壓0.02%基本精度。

·0°C-45°C寬范圍工作溫度，在18°C-28°C之外部分的附加測量誤差僅為0.01%/°C。

·電源與通信電路全隔離。

·可設置的測量速度，3次/s，6次/s，12次/s。

3 電池

數據模塊所采用的是干電池供電，不需要過高電壓就可以正常工作，因為該傳輸系統應用于燃油儲存區，油品儲存區需要嚴防火花和電流的產生，因此，油罐區域內應盡可能避免電源的出現，避免意外發生。并且干電池既便宜便捷，又可以有效減少罐區內電源的出現，電池也足夠正常使用一年以上，更換也十分簡單，因此，干電池便成了為數據采集模塊供電的最佳選擇。

4 硬件設計

單片機采用超低功耗處理器的單片機，該單片機具有以下特性:

·1.65V-3.6V電源輸入

·-40°C-85°C工作溫度范圍

·待機模式下平均耗電量0.3μA

·待機模式下開啟RTC平均耗電量0.9μA

·停機模式下平均耗電量0.57μA

·停機模式下開啟RTC平均耗電量1.2μA

·低功耗模式下運行電流9μA

·正常運行模式下電流214μA/MHz

·喚醒時間小于8us

5 軟件設計

在單片機程序設計過程中應盡量降低系統功耗，在沒有測量任務時關閉測量電路電源，單片機和LoRa模塊均進入休眠模式。當LoRa模塊接收到數據后喚醒單片機，單片機接收并解析數據，當收到測量命令后，開啟測量電路部分電源，向測量模塊發送測量命令，待測量模塊返回測量結果后單片機通過LoRa模塊將測量數據發送給上位機軟件。

6 誤差分析

將該電壓測量裝置與福祿克公司17B萬用表進行電壓測量比較，得到下表所示結果。

表1 測試結果對比分析

由此可得，該裝置的測量值與福祿克17B萬用表測量值誤差在正負1%以內。

7 結論

1)本論文提出了基于LoRa遠距離傳輸的陰極保護系統的設計，其各參數調節都達到了預期要求。

2)通過對于不同無線傳輸方式的傳輸距離、功耗、成本等的比較，選用了LoRa無線傳輸方式，能夠達到遠距離低功耗的目的。

3)通過測試比較，發現本裝置與福祿克萬用表的測量誤差控制在正負1%內，誤差較小，精度準確。