面向工业电机温度监测的LoRa无线传感网络设计

黄 健,钟益民,方 挺,李文钦

(安徽工业大学 电气与信息工程学院,安徽 马鞍山 243000)

过热是最常见的电机故障之一.引起电机过热故障的原因有很多,过热故障表观性差且故障恶化较快.因此,监测电机的温度变化对于保证电机正常运行和分析电机故障原因尤为重要[1].

大容量的电机常常在轴承、绕组等部位安装铂热电阻传感器,并引出到电机外壳的传感器接线盒中,然后通过电缆送至温度显示仪表.普遍使用的中小容量电机没有自带测温装置,在运行的过程中通过红外测温的方法,人工测量轴承室外部的温度,这种监测方法往往是通过人工巡回定检,不能连续、实时地监测电机的温度变化[2].

随着无线通信技术的飞速发展,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs) 在各个领域得到了广泛应用[3].Zigbee通信在工业上也被普遍使用,由于 Zigbee 技术的通信频率高,所以信号传输中衰减非常快,Zigbee传输距离短,且无法同时兼顾抗干扰和低功耗[4].相比于Zigbee通信,LoRa(Long Range)通信既能满足大量连接需求,且节点无需时刻处于监听状态,在保证远距离通信传输的同时,可以最大限度地降低功耗.

通过LoRa无线传感网络组成工业电机在线测温系统,利用LoRa无线通信技术完成终端节点和网关节点的通信.LoRa 是一种新型无线通信技术,利用了先进的扩频调制技术和编解码方案,增加了链路预算和更好的抗干扰性能,对深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定[5].LoRa作为LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)的一种长距离通信技术,解决了传统无线传感网络传输距离远与低功耗不能兼得的问题,具有低功耗、抗干扰能力强和通信距离远的特点[5].本文基于LoRa无线通信技术设计了LoRa无线传感网络,系统运行一套低功耗的组网算法,使用自主设计专用的通讯协议,用于工业电机温度测量.系统无需铺设电缆,用较低的成本对工业现场的电机群实现在线温度监测,通信距离远,终端节点功耗低,并且有维护简单、使用灵活等优势,有广泛的应用前景.

1 系统组成

整个系统包括多个测量集群,每个测量集群由1个网关节点和多个终端节点组成[6].每个测量集群会被分配1个频段,确保不同的测量集群之间不会相互干扰,不同测量集群相互独立工作.终端节点集成了温度传感器,将温度传感器部分固定在工业电机待测温部分,就能够对工业电机的温度进行测量,通过LoRa模块将温度数据发送至网关节点.网关节点具有较强数据处理能力和较大的存储空间,网关节点会将终端节点发送的温度数据进行打包处理并通过RS-485总线上传至上位机.网关节点集成了Modbus通信协议,并通过Modbus通讯协议与上位机通信,这使得网关节点能够便捷地接入工业控制网络.终端节点与网关节点通过LoRa无线通信技术组成LoRa无线传感器网络,并通过本文设计的组网通信协议和组网算法实现通信,因此系统具有较强的抗干扰能力,有效防止同频串扰,并且具有组网便捷的优势.系统总体结构如图1所示.

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 终端节点

终端节点由数字温度传感器DS18B20、微控制器STM32L51C8T6、LoRa无线通信模块(基于射频芯片SX1278)、3.6V锂电池组成.STM32L51C8T6内部集成了2 KB的嵌入式EEPROM,用于终端节点的数据存储.终端节点的硬件结构如图2所示.

终端节点采用电池供电,电池能量有限,所以终端节点必须要能够低功耗运行.终端节点的基本工作模式是休眠—工作—休眠循环执行,以降低终端节点的功耗.

终端节点在休眠状态中,微控制器通过MOSFET关断DS18B20和LoRa模块的电源,然后微控制器进入低功耗状态,选择STOP模式+RTC(real time clock)的低功耗模式,工作电流为1.2 μA,RTC用于定时将微控制器唤醒.微控制器在运行模式下工作电流为 214 μA/MHz,最大系统时钟频率为32 MHz,在保证终端节点正常工作的前提下,将微控制器的系统配置为8 MHz,此时微控制器在运行模式下的工作电流为1.712 mA.

图2 终端节点硬件结构

为保证终端节点测量温度数据的可靠性,每一次数据采集过程中,通过DS18B20采集1组数据{T1,T2,T3,T4,T5},对这组数据执行排序算法,去掉最大值和最小值,对剩余数据进行平均处理,最后得到温度数据,从而避免终端节点因为受到外界干扰等因素而上传错误的温度数据.

2.2 网关节点

网关节点由微控制器STM32F103C8T6、LoRa无线通信模块、存储器W25Q32、RS-485通信模块、电源管理模块、串口组成.网关节点的硬件结构如图3所示.

图3 网关节点硬件结构

网关节点相对于终端节点有更强的数据处理能力和数据存储能力.网关配置了容量为4 MB的Flash存储器W25Q32,用于存储终端节点的配置信息与温度数据.

网关节点为每个终端节点分配2 KB的存储空间,用于存储温度数据.网关节点需要维护一个配置表,这个配置表包含了LoRa无线传感网络中所有的终端节点的地址,并且将终端节点的地址和温度数据存储空间一一对应,这使得每次从终端节点上传的温度数据总是能够被存放在一个固定的存储空间,这样才能保证网关节点能够有序地存储温度数据和处理温度数据.配置表的内容可以通过串口进行更新,从而实现终端节点的增加和删除.如果终端节点的地址在配置表中被删除,那么终端节点发送的数据将不会被网关节点接收,此时终端节点属于退出网络状态.

网关节点采用12 V直流电源供电,内部电压管理模块将12 V直流电降压为5 V直流电和3.3 V直流电,供给网关节点的不同模块工作.

3 系统组网设计

无线组网不同于有线组网,由于终端节点的能量限制问题,无线组网对于低功耗有更高的要求,一般的有线组网方法并不适合无线组网.对于无线组网方法,不同的应用有不同的特点,需要设计不同的组网方法.

系统是由终端节点和网关节点组成了LoRa无线传感网络,系统采用星型网络拓扑结构,终端节点和网关节点之间形成多对一的映射关系.星型网络拓扑结果相对网格型网络拓扑结构没有复杂的路由开销,系统的功耗更低.由于LoRa调制技术的特点,在简单的星型网络下,同样能够使系统获得一个比较宽泛的覆盖面积.

在星型网络结构下,必然要面对数据传输冲突,隐蔽终端问题[8].为了解决这些问题,本文设计了组网通信协议和低功耗组网算法,使得系统具有比较低的功耗,终端节点获得了更长的生命周期.

3.1 组网通信协议

系统的组网通讯协议定义了数据包的格式以及功能码的类型,功能码数据包的功能解析及功能得以实现.这里借鉴了Modbus通信协议的设计思想,根据LoRa无线传感网络的具体应用要求及特点作出了改进和设计[9].表1给出了组网通信协议的数据包格式.

每个数据包占用8个字节.终端地址由2个字节组成,是终端节点接入LoRa无线传感网络的身份辨识,所以终端地址是唯一确定的.网关节点在解析数据包时,需要通过终端地址来判断数据来源,终端节点在接收到数据包时,需要通过终端地址来判断是否为本机命令,如果不是本机命令,则不会响应.

表1 数据包格式

数据包中的功能码采用1个字节表示,最多可支持256种功能码.在本文设计的通讯协议中,只规定了部分功能码的功能,以满足实际网络通信的需求,其他预留功能码可以用来扩充系统的功能.

3.2 组网算法

终端节点定时唤醒,向网关节点发送数据,所有的终端节点的唤醒时间是一样的.随着终端节点的增加,终端节点向网关发送数据的时间段将会重叠,造成数据的丢失,通过执行如图4所示的组网算法可以有效降低数据丢失的问题.基于终端节点能量低功耗的设计要求,所以系统对于退避次数作了限制,避免频繁扫描信道,以降低功耗.

终端节点在作信道检测的过程中,可能存在隐蔽终端的问题,即存在一个终端在网关可视范围之内,却不在当前作信道检测的终端节点的可视范围之内,如果此时隐蔽终端在发生数据,将会导致当前终端节点发送数据失败.所以在图4算法中,增加了网关确认指令,如果网关节点接收到了终端节点发送的数据包,则返回“确认指令”,终端节点通过确认指令判断是否成功发送数据.

图4 组网算法流程

终端节点在实际应用时被分布在不用的地理位置,不同的终端节点与网关节点的距离是不同的,而终端节点的发射功率正比于传输距离,发射功率设置过小,会导致数据无法被传输至网关节点,发射功率过大,会造成没有必要的功率损耗,所以需要根据不同的分布位置动态地调整发射功率,这样能够降低系统的整体功耗.终端节点在开机之后就会执行一个发射功率适配进程,终端节点内部集成了3套发射功率配置方案,发射功率按照编号1～3逐次递增,分别适用于近程、中程和远程,用来给处在不同地理位置的终端节点作不同的发射功率配置,确定实际工作所需要的匹配的最优发射功率.发射功率的优化算法程序流程如图5所示.

图5 发射功率优化算法流程

4 系统测试

针对特定的应用,可以通过调整扩频因子、调制带宽及纠错编码率这3个关键设计参数对LoRa 调制技术进行优化,从而在链路预算、抗干扰性、频谱占用度及标称数据速率之间达到平衡[10].扩频因子越大,抗干扰能力越强,能传输得越远.调制带宽越大,接收灵敏度越低,无法传输太远.

系统在测试过程中,将LoRa的参数调整为:带宽7.8 KHz，扩频因子12,纠错编码率4/5.

4.1 终端节点功耗测试

终端节点有3种工作状态：休眠状态、数据发送状态、数据接收状态.分别对3种工作状态进行电流测试.

分别对系统在3种工作模式的电流进行测试.分别设置发射功率为+13、+17、+20 dBm,发送电流依次为36、93、125 mA,平均休眠电流为10.3 μA,平均接收电流为38.7 mA.

4.2 系统丢包率测试

测试距离为终端节点至网关节点的直线距离,终端节点向网关节点发送20个数据包,通过上位机软件来统计网关节点接收到数据包的数量,来计算丢包率.丢包率为未接收到的数据包的数量与发送的数据包总数的比值.测试结果如表2所示.

表2 丢包率测试结果

由表2可知,终端节点与网关节点在1 100 m以内有良好的通信,超过1 700 m后终端节点和网关很难通信成功.在实际使用的过程中,应该保证终端节点与网关的距离在1 100 m以内,以获得良好的通信.

5 结语

本文通过LoRa无线通信技术搭建LoRa无线传感网络应用于工业电机温度监测,介绍了系统总体架构、软硬件设计的详细方案.系统采用星型网络拓扑结构,在此基础上设计了组网的通信协议,并设计了低功耗的组网算法.系统测试表明,系统具有低功耗、通信距离远、组网便捷等特点.

系统的终端节点采用定时唤醒的方式向网络上传数据,通过组网算法能够有效避免数据冲突导致的数据包丢失.使用本文中的组网算法能够满足低功耗的要求,但是降低了系统的数据吞吐量,在网络中单个网关挂载的终端节点的数量多时,如果终端上传数据的速率过于频繁,则会导致大量数据被舍弃.系统在提升数据吞吐量上还需要做出完善,可以在网关节点上使用多信道的射频芯片,网关节点能够同时在多个信道上接收数据,从而提升网络的数据吞吐量.

通过低功耗、远距离传输的 LoRa无线传感网络监测工业电机的温度,可以在线监测电机的温度变化,对于保证电机的正常运行分析电机故障原因有着重大意义,具有广泛的应用前景.