基于LoRa平臺(tái)的智能通風(fēng)控制系統(tǒng)研究

羅書克，李珍萍

(1.許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.中央儲(chǔ)備糧許昌直屬庫(kù)有限公司，河南 許昌 461000)

隨著社會(huì)的發(fā)展及科技進(jìn)步，糧食儲(chǔ)藏系統(tǒng)的智能化、綠色化要求逐漸提高，而糧食儲(chǔ)藏中需要采集的數(shù)據(jù)信息量大，被控對(duì)象多.原有的信息采集及控制系統(tǒng)中，均為通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及傳輸，這造成了可靠性低、安全隱患大等問題，對(duì)糧食儲(chǔ)存管理極為不便，對(duì)控制的實(shí)時(shí)性也不合要求.針對(duì)這種情況，在對(duì)整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)狀況的調(diào)查基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于LoRa的無線數(shù)據(jù)采集、傳輸及智能控制系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)內(nèi)信息進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)自主傳輸、被控對(duì)象受控運(yùn)行.

1 系統(tǒng)框架及設(shè)計(jì)方案

糧食倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中需要周期檢測(cè)糧食內(nèi)部溫度和空間內(nèi)外部環(huán)境的溫濕度情況，根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，達(dá)到一定限值和環(huán)境條件時(shí)，將自動(dòng)采取相應(yīng)的通風(fēng)降溫、除濕等措施[1].其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)中由數(shù)字溫度傳感器多點(diǎn)采集糧食內(nèi)部溫度信息，同時(shí)通過溫濕度傳感器采集糧倉(cāng)內(nèi)、外部環(huán)境溫濕度信息，把采集到的信息分別通過LoRa無線發(fā)射電路給集中單元[2]，在集中單元內(nèi)部有接收電路，接收電路把接收到的各種信息傳輸給中央處理單元，中央處理單元把接收到的這些信息再次通過LoRa無線發(fā)射模塊發(fā)給監(jiān)控中心，同時(shí)中央處理單元對(duì)這些信息進(jìn)行處理，當(dāng)滿足下面的條件時(shí)，其發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的控制動(dòng)作[3].

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2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括溫濕度信號(hào)采集、無線發(fā)射電路、接收處理電路、中央處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)控制電路等幾部分.

2.1 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路包括糧食內(nèi)部溫度信號(hào)采集、倉(cāng)內(nèi)、外環(huán)境溫濕度采集.采集原理基本相似，分別通過溫、濕度傳感器進(jìn)行采集.糧食內(nèi)部的溫濕度信號(hào)是多點(diǎn)采集，需要用到信號(hào)的級(jí)聯(lián)采集，通過地址進(jìn)行識(shí)別，而倉(cāng)內(nèi)外環(huán)境溫濕度信號(hào)只有一個(gè)溫濕度信號(hào)，相對(duì)來說采集電路簡(jiǎn)單.倉(cāng)內(nèi)外環(huán)境溫濕度采集傳感器采用霍尼韋爾的數(shù)字式一體化傳感器HIH-6130，具有14位濕度傳感器和溫度傳感器，采集精度高、溫漂小、功耗低等特點(diǎn).環(huán)境溫濕度采集電路如圖2所示，糧食內(nèi)部溫度信號(hào)采集如圖3所示.

圖2 倉(cāng)內(nèi)外環(huán)境溫濕度信號(hào)采集電路

圖3 糧食內(nèi)部溫濕度信號(hào)采集電路

糧倉(cāng)內(nèi)外環(huán)境信息各需要一路溫濕度信號(hào)，糧食內(nèi)部的溫濕度狀況，需要檢測(cè)多點(diǎn)的溫濕度信息，需預(yù)先把溫度傳感器預(yù)置于糧食內(nèi)部，這些傳感器通過總線形式連接在一起，然后再連接無線發(fā)射控制系統(tǒng)把采集到信息發(fā)射出去.

2.2 發(fā)射、接收電路

發(fā)射、接收電路采用SX1278半雙工通信電路，采用LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，用于超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信，抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)[4].工作電路如圖4所示.

圖4 LoRa收發(fā)電路

溫濕度信號(hào)全部采用的是數(shù)字傳感器，直接和MCU相連，當(dāng)MCU采集到各種溫濕度信號(hào)后，通過通信接口把數(shù)據(jù)傳送給LoRa模塊SX1278，SX1278通過射頻輸出端把信號(hào)發(fā)射出去[5]，同時(shí)SX1278也可以接收外部發(fā)射過來的數(shù)據(jù)信息.圖中RX/TX用來進(jìn)行收發(fā)控制，SCK、MISO、MOSI主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)分別提供時(shí)鐘信號(hào)及數(shù)據(jù)輸入和輸出信息，NSS為片選信號(hào)[6].

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

當(dāng)檢測(cè)到糧食內(nèi)部溫度達(dá)到通風(fēng)條件時(shí)，且室外環(huán)境溫濕度也滿足通風(fēng)條件，由MCU發(fā)出指令，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)各個(gè)糧倉(cāng)上、下通風(fēng)口自動(dòng)打開，通風(fēng)窗口打開后被系統(tǒng)檢測(cè)到，控制上下通風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，在通風(fēng)過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各點(diǎn)溫濕度變化情況，如果通風(fēng)條件不滿足或者達(dá)到了通風(fēng)結(jié)束條件，會(huì)控制通風(fēng)風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止，關(guān)閉風(fēng)口門窗.該系統(tǒng)也可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制通風(fēng)的啟動(dòng)和停止.操作上位機(jī)的控制按鈕，通過無線傳輸系統(tǒng)把開停指令發(fā)送給MCU，MCU接收到信息，會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作.實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示.MCU采集到信息滿足電機(jī)啟動(dòng)或停止條件時(shí)，就會(huì)分別控制Q1或Q2，Q1工作，將會(huì)使電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，Q2工作將會(huì)使電機(jī)停止運(yùn)行.圖中S1、S2為通風(fēng)門窗位置開關(guān)，K1、K2為電機(jī)工作與停止的控制繼電器，KM1、KM2分別為控制門窗開關(guān)的控制接觸器.

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的工作分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與控制及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等幾部分.該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求不高，數(shù)據(jù)采集周期比較長(zhǎng)，為了降低系統(tǒng)功耗，設(shè)定采樣周期為30分鐘采樣一次，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸.

程序的流程是由傳感器的時(shí)序決定的，采用定期采樣，采集方式為IIC.溫濕度傳感器的時(shí)序圖如圖6所示.采樣采用定時(shí)中斷方式進(jìn)行，基于上圖時(shí)序，其定時(shí)中斷采樣流程圖如圖7所示.

圖6 HIH-6130時(shí)序圖

圖7 定時(shí)采樣流程圖

數(shù)據(jù)采集進(jìn)來之后，MCU要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并把接收到的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳輸給上位機(jī).對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)，滿足風(fēng)機(jī)啟動(dòng)條件，則會(huì)起動(dòng)風(fēng)機(jī)；或者滿足風(fēng)機(jī)停止條件，會(huì)停止風(fēng)機(jī).數(shù)據(jù)處理控制流程圖和LoRa無線傳輸流程圖分別如圖8、9所示.為了保證發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC驗(yàn)證，只有驗(yàn)證正確的數(shù)據(jù)才被接收和發(fā)送，CRC驗(yàn)證不正確的數(shù)據(jù)將被舍棄.

圖8 數(shù)據(jù)處理控制流程圖

圖9 LoRa無線傳輸流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證方案的可行性，制作了一套樣機(jī)進(jìn)行溫濕度檢測(cè)、控制及數(shù)據(jù)發(fā)送.實(shí)驗(yàn)采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，模擬糧食內(nèi)部溫度信號(hào)采樣，用HIH-6130采集環(huán)境溫濕度信號(hào)，采用STM8S103作為處理器，采用以SX1278為核心的LoRa模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 溫濕度數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸、控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從數(shù)據(jù)表可以看出，第一次的數(shù)據(jù)全部為正常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)沒有達(dá)到通風(fēng)條件，風(fēng)機(jī)停止、風(fēng)口關(guān)閉；第二次的數(shù)據(jù)由于有一個(gè)點(diǎn)的溫度偏高，達(dá)到了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)條件，環(huán)境溫濕度在允許通風(fēng)條件下，通風(fēng)口開啟、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)；第三次的數(shù)據(jù)雖然有一個(gè)點(diǎn)的溫度過高，由于環(huán)境濕度過高，不滿足通風(fēng)條件，系統(tǒng)處于風(fēng)機(jī)停止、風(fēng)口關(guān)閉狀態(tài).通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)溫濕度采樣精度高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，控制性能良好.

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的基于LoRa平臺(tái)的智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用LoRa無線傳輸平臺(tái)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行無線遠(yuǎn)程傳輸，節(jié)省大量的數(shù)據(jù)傳輸電纜，提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性.在數(shù)據(jù)采樣處理基礎(chǔ)上對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能控制，根據(jù)實(shí)時(shí)采集情況自主進(jìn)行通風(fēng)口的打開與關(guān)閉并控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，節(jié)省了大量人力物力.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集精度高，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值.