基于LoRaWAN通信的升降機安全高度預警系統的設計

于大恒,王 春,李婉婷

(吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠,長春130033)

0 引言

為實現安全生產,需對煙草動力車間現場環境及設備進行分析,特別是對登高作業,應增加審批環節,即對2 m以下、5 m以下及5 m以上登高作業進行審批及監控,加強硬件防護,實現車間登高作業的實時安全監控。隨著物聯網的發展,LoRa通信技術以其低功耗、抗干擾強、通信距離遠、穿透性好等特點[1-3]被各行業大量應用。分析了各無線通信方案,選擇LoRaWAN網絡作為項目的網絡層設計,可有效降低設備成本與功耗,擴大傳輸距離。根據LoRaWAN的技術特征,設計基于LoRaWAN網絡的升降機安全高度預警系統,能夠實時采集車間各個升降機的高度狀態,遠程實時查詢升降機高度信息,當高度值到達該作業允許的極限高度后自動輸出報警信息。該系統提供了新的登高作業安全管理方式,具有較高的應用價值。

1 總體設計

系統由LoRaWAN基站、終端檢測節點、用戶服務器及應用平臺組成,終端檢測節點以傳感設備為主,進行數據采集,并將數據轉發至LoRaWAN基站。LoRaWAN基站用于實現檢測節點與用戶服務器之間的數據傳輸,網關從檢測節點收集LoRa數據幀,并將這些數據重傳到用戶服務器,用戶服務器對系統產生的數據進行存儲、管理及分析處理。應用平臺采用瀏覽器對系統進行訪問,獲取終端檢測節點的實時信息。正常情況下,處于活動狀態的終端檢測節點作為傳感器部署在升降機指定位置,實時采集高度數據,終端檢測節點將采集到的數據發送給基站,基站再將數據發送至服務器進行認證及數據幀去重。整體結構如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 硬件設計

系統的硬件部分主要包括終端檢測節點與LoRaWAN基站兩部分。終端檢測節點主要由供電單元、激光測距傳感器TF-Luna、低功耗MCU ATMEGA328P-MU及LoRaWAN模組RNDU490LAS組成。硬件框圖如圖2所示,其中MCU通過I2C連接傳感器TF-Luna,通過UART串口連接LoRa模組。

圖2 終端檢測節點硬件框圖

2.1 供電單元設計

激光測距傳感器供電電壓5 V,而MCU與LoRa模組需要的供電電壓為3.3 V,故采用以兩節14 500鋰電池結合升壓電路組成的電池包作為電源進行供電。設計了如圖3所示的穩壓電路,輸出3.3 V,為MCU和LoRa模組供電,采用雙向瞬態電壓抑制器SMBJ18CA減小噪聲干燥,防止浪涌損害電路,采用穩壓器SPX3819M5-L-3-3用于電壓轉換,輸出穩定的3.3 V電平。

圖3 供電單元電路

2.2 控制單元及LoRaWAN通信單元設計

控制單元采用ATMEGA328P-MU,主要用于控制激光測距傳感器獲取高度信息,并連接控制LoRa模組向基站發送數據。ATMEGA328P-MU是一款高性能低功耗的8位AVR RISC微控制器,結合了32kb ISP閃存、1024B EEPROM、串行可編程USART等,廣泛應用于物聯網、自動化、儀器儀表等領域。

LoRaWAN節點模塊采用銳米通訊的RNDU490LAS模組,該模組基于SEMTECH射頻集成芯片SX1278的射頻模塊,是一款高性能的物聯網無線收發器,具有功耗低、體積小、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點,通過串口UART與控制單元連接。部分電路如圖4所示。

圖4 控制單元及LoRaWAN通信單元設計

3 軟件設計

為保證各層間正常通信,在軟件部分對終端節點與應用服務部分進行有效設計。終端節點的軟件設計可實現數據采集與上傳,并盡可能降低功耗,提升續航。

LoRaWAN采用星形拓撲的網絡架構,架構中的LoRaWAN網關是一個透明的連接點,負責連接終端設備與中央服務器。網關與服務器通過標準IP連接,而終端設備與網關采用單跳通信,所有的節點都為雙向通信。為最大化終端設備電池壽命及整個網絡容量,LoRaWAN 采用一種速率自適應(ADR)方案來控制數據傳輸速率及每一終端設備的射頻輸出[4]。

LoRaWAN節點模塊的工作方式主要有3種,即A類、B類、C類。A類屬于異步通信,當一個節點完成傳輸時,另外一個節點才會開始發起傳輸,避免數據碰撞的產生。A類模塊只有需要時才會進行傳輸,大部分時間都是在休眠,所以A類節點模塊主要應用于低功耗領域中。B類是在A類的基礎上加上了時間同步功能,其功能非常復雜。C類是除了需要發送數據以外,其他時間都是處于接收狀態,故C類功耗很高。

為了保證終端檢測節點數據的上傳,降低系統功耗,設置LoRaWAN節點模塊工作在A類工作模式,開啟休眠定時器。圖5為終端檢測節點的工作流程。

圖5 LoRaWAN終端檢測節點工作流程

具體流程包括:進行系統初始化,包括Arduino庫、系統時鐘、串口的初始化及TF-Luna的I2C接口初始化。LoRaWAN節點初始化,讀取存儲在內部Flash中的LoRaWAN參數信息(工作模式、頻段、設備地址等)并初始化。通過無線射頻發送OTAA入網請求,若基站收到請求,則返回入網成功信號,節點收到該信號則入網成功。入網成功后,MCU向激光測距傳感器發送測距命令,激光測距傳感器工作在低功耗模式,當收到命令時退出低功耗模式并進行3次測距,取數值相近的兩個值的平均值作為最終測距值。MCU將測距值打包為LoRaWAN數據幀并通過LoRaWAN節點模塊發送出去。所有模塊重新進入低功耗模式,如果休眠定時時間到則退出低功耗模式,重新進入工作狀態。

4 系統測試及分析

為了驗證基于LoRaWAN網絡的升降機安全高度預警系統設計的可行性與穩定性,對該系統進行實地信息傳輸實驗。將一個LoRaWAN基站固定,多個終端檢測節點置于車間各個位置,采用433 MHZ頻段,各節點定時3S向基站發送一次測距數據并打印日志,基站通過有線網絡將信息傳輸至管理服務器,根據管理服務器采集到的數據日志與終端檢測節點的日志得到表1所示的車間內LoRaWAN網絡數據傳輸測試結果。

表1 車間內LoRaWAN網絡數據傳輸測試結果

結果表明,隨著通信傳輸距離的增加,傳輸數據的丟包率隨之增加,通信延時的變化較小,120 m的丟包率達到7.0%,誤碼率達到3.44%,基本實現通信。200 m的丟包率達到87.4%,誤碼率達到53.97%,通信基本已經中斷。查詢資料發現,LoRa網絡的有效通信距離可達1800 m[5-6],分析實驗現場環境發現,車間內各種機械設備、管廊及墻體等容易對信號傳輸造成干擾,從而導致有效傳輸距離較短。實際使用的120 m傳輸半徑已完全覆蓋整個車間,單個基站即可滿足項目需求。

5 結束語

設計的基于LoRaWAN網絡的升降機安全高度預警系統,實現了LoRaWAN內終端檢測節點、基站、網 絡服務器及應用服務器之間的實時數據通信,滿足了安全高度預警系統的功能及性能要求。從系統總體、硬件、軟件設計進行研究,對系統功能進行測試分析。結果表明,該系統組網成本低,運行情況良好,實現了對車間升降機等登高作業工具高度數據的采集,滿足車間對登高作業的安全監管要求。