張海濤，韓耀振（山東交通學院 信息科學與電氣工程學院，山東 濟南 250357）

摘 要 ：針對目前可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)存在的通信傳輸距離短和功耗高的問題，提出了一種基于 LoRa 技術(shù)的可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計以及詳細的系統(tǒng)硬件組成和原型，軟件系統(tǒng)由 Keil 軟件編譯實現(xiàn)?；?FM33LG048 設(shè)計的無線傳感器采集現(xiàn)場氣體濃度，通過 SX1278 無線射頻模塊與 LoRa 控制器通信 ；以高性能，低功耗 STM32F103 為主控制單元設(shè)計的 LoRa 控制器接收、處理、存儲無線傳感器數(shù)據(jù)，并提供操作界面，其中，控制器中的 LoRa 網(wǎng)關(guān)作為中繼通過 GPRS 將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。系統(tǒng)可通過 LoRa 控制器在本地查看、操作無線傳感器，通過手機或電腦遠程增、刪、改、查無線傳感器相關(guān)信息。

中圖分類號 ：TP23 ；TP277

文獻標識碼 ：A文章編號 ：2095-1302（2022）10-0012-04

0 引 言

在石油化工行業(yè)中不可避免的存在各種易燃易爆、有毒有害的氣體，這些氣體一旦長時間泄露或積聚在周圍環(huán)境中，將可能引起火災(zāi)、爆炸或人身中毒等重大事故。因此，對可燃氣體的監(jiān)測是安全生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。文獻 ［1-3］ 通過 ZigBee 技術(shù)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)分析和處理。文獻 ［4-6］以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過 IP 數(shù)據(jù)流方式傳送數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對可燃氣體的遠程監(jiān)控。以上系統(tǒng)通過采用不同的無線通信技術(shù)，均實現(xiàn)了對可燃氣體的遠程監(jiān)控。但 ZigBee 技術(shù)無法實現(xiàn)遠距離傳輸，GPRS 又易發(fā)生丟包現(xiàn)象。針對以上問題，結(jié)合 LoRa 通信距離遠、信號收發(fā)靈敏度高、功耗低等優(yōu)點，本文設(shè)計了一種基于 LoRa 自組網(wǎng)的可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測可燃氣體濃度。

1 系統(tǒng)工作原理及功能

圖 1 所示為可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)主要由無線傳感器、LoRa 控制器和氣體監(jiān)測云平臺組成。無線傳感器采集現(xiàn)場氣體濃度，對數(shù)據(jù)進行處理，然后 LoRa 模塊按照規(guī)定的通信協(xié)議主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的 LoRa 控制器。LoRa 控制器對濃度數(shù)據(jù)進行分析、判斷、處理，并定時發(fā)送到云平臺，云平臺接收、顯示 LoRa 控制器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常時平臺立即發(fā)送短信通知相關(guān)人員。

系統(tǒng)分為 3 個層次，氣體監(jiān)測云平臺與 LoRa 控制器之間采用 GPRS 通信方式 ；LoRa 控制器和無線傳感器之間采用 LoRa 通信方式 ；無線傳感器和聯(lián)動模塊之間采用 RS 485通信方式。設(shè)計的 LoRa 控制器可連接 256 個無線傳感器，每個無線傳感器都有唯一的識別碼。為避免信道擁堵，系統(tǒng)默認 1 個控制器最多可連接 100 個無線傳感器。 無線傳感器將采集的氣體濃度轉(zhuǎn)換成 0 ～ 5 V 電壓信號，并經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。除此之外，無線傳感器還具有現(xiàn)場數(shù)字顯示、調(diào)零、標定、變更地址、聲光報警等功能。其中，聯(lián)動模塊由電磁閥和排風風扇組成，無線傳感器發(fā)生報警時，聯(lián)動模塊對應(yīng)的繼電器工作，關(guān)閉電磁閥并啟動排風風扇，從而避免事故的發(fā)生。

LoRa 控制器是系統(tǒng)最重要的部分，也是系統(tǒng)設(shè)計的難點所在。LoRa 控制器一方面通過 232 與串口屏通信，可查看報警時間、報警濃度、故障類型等，也可設(shè)置、修改、查閱系統(tǒng)參數(shù) ；另一方面，LoRa 控制器中的 LoRa 網(wǎng)關(guān)接收無線傳感器上傳的氣體濃度信息，并進行分析、處理、判斷。然后將處理數(shù)據(jù)定期通過無線遠傳至氣體監(jiān)測云平臺，現(xiàn)場報警時立即上傳。同時也可修改 IP 地址、無線傳感器數(shù)量、上傳時間等參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

LoRa 控制器主要包括電源模塊、顯示模塊、無線通信模塊，選用性能穩(wěn)定的 STM32F103RBT6 作為控制中心。電源模塊主要由主電供電和電池供電兩部分組成，主電供電由LS05-13B24R3 將交流電壓 220 V 轉(zhuǎn)換成單片機所需要的直流電壓 5 V。LS05-13B24R3 是金升陽提供的小型化裸板的高效綠色模塊電源，具有交直流兩用、輸入電壓范圍寬、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點，主電源電路原理如圖 2 所示。電池供電則由 24 V 電池進行供電，24 V 轉(zhuǎn) 5 V 直流降壓電路采用 MP1584 芯片。開關(guān)電源通過在內(nèi)部 MOS 管上加 PWM 開關(guān)信號，控制 MOS 管的導通和關(guān)斷，使電感和電容充放電，以此來實現(xiàn)將電源電壓降壓的目的。電池供電電路原理如圖 3 所示。

無線模塊由 LoRa 網(wǎng)關(guān)和 GPRS 模塊組成，主要電路原理如圖 4 所示。

LoRa 網(wǎng)關(guān)采用 SEMTECH 公司出品的SX1278 射頻芯片。SX1278 射頻芯片是一種半雙工傳輸?shù)牡椭蓄l收發(fā)器，具有高靈敏度、低功耗、抗干擾等特點。采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能將數(shù)百萬的無線傳感器節(jié)點與 LoRa 網(wǎng)關(guān)連接 ［7］。射頻前端和數(shù)字狀態(tài)機所有重要參數(shù)均可通過一個 SPI 接口進行配置，通過 SPI 可以訪問 1278 的配置寄存器。使用 SX1278 需要注意兩點 ：一是與 MCU 連接時注意共地連接 ；二是 RST 管腳是 SX1278 無線模塊的復位引腳，低電平有效，在初始化操作成功后嚴禁使用此管腳。SX1278的工作頻率為 433 MHz，在同等發(fā)射功率下低頻的傳輸距離更遠，覆蓋范圍更廣 ［8］。GPRS 模塊采用 SIMCom 提供的SIM800C，SIM800C 采用省電技術(shù)設(shè)計，在休眠狀態(tài)下電流低 至 0.6 mA［9］。 將 SIM800C 的 TXD 和 RXD 與 MCU 的 串口 2 連接，并通過 MCU 的串口 1 進行打印。

顯示模塊選用迪文 DGUS 屏，通過 232 與微控制器通信，電路原理如圖 5 所示。

DGUS 屏主要把 GUI 分解成控件并按頁面配置?？丶@示由變量控制 ［10］，通過 PC 軟件配置好控件文件下載到 DGUS 屏后，通過串口改寫變量值即可實現(xiàn)控件顯示的相應(yīng)改變。

無線傳感器主要完成對現(xiàn)場氣體濃度的采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，電路原理如圖 6 所示。選用 5 V 高性能鋰電池供電，當電池電壓下降到 3.3 V 后，蜂鳴器持續(xù) 10 s 警報以提醒用戶。

無線傳感器的微控制器選用 FM33LG048，F(xiàn)M33LG048 是一款基于 ARM32 位 Cortex-M0+ 內(nèi)核的產(chǎn)品，片上內(nèi)存包括256 KB FLASH 和 32 KB RAM，集成低功耗硬件時鐘，內(nèi)置液晶顯示驅(qū)動，獨特的超低功耗架構(gòu)設(shè)計使得芯片在 1 MS/s采樣率下，功耗僅為 250 μA。紅外遙控模塊選用 VS1838B，可實現(xiàn)對無線傳感器的調(diào)零和標定。

3.2 LoRa 主控制器軟件設(shè)計

在進入循環(huán)之前，首先對微處理器和芯片進行初始化，顯示開機畫面 3 min，在此過程中不斷進行電源檢測、按鍵檢測、屏幕檢測。開機成功后，LoRa 網(wǎng)關(guān)上電，并掃描查看是否有 LoRa 節(jié)點加入。LoRa 節(jié)點加入后，控制器對接收到的數(shù)據(jù)進行分析判斷，主要分為正常、故障、報警三種狀態(tài)，然后按順序提取協(xié)議中無線傳感器中對應(yīng)的氣體濃度和狀態(tài)位，將其存儲到 FLASH 中。

正常狀態(tài)下，上傳時間為 6 h，若為故障或報警狀態(tài)，則立即上傳。為降低系統(tǒng)功耗，未達到上傳時間時系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。鍵值檢測及處理部分主要檢測屏幕是否有反應(yīng)，能否根據(jù)相應(yīng)鍵值進行相關(guān)操作。屏幕界面分為三級權(quán)限操作目錄，每一級權(quán)限下有若干下拉界面選項，這些操作功能都在按鍵數(shù)據(jù)處理函數(shù)中完成。

進入循環(huán)之后，需要注意每一個函數(shù)處理完成后都要進行備電電路檢測。 LoRa 控制器與云平臺間采用 4G 長連接模式，通過 TCP與云平臺建立連接，首次建立連接或者斷開連接再次連接上線后，首先發(fā)送登錄幀，等待云平臺應(yīng)答，超時無應(yīng)答并重試兩次仍無應(yīng)答則自動斷開服務(wù)器，釋放連接資源 ；如果收到云平臺應(yīng)答，則進入正常工作流程，按 LoRa 控制器設(shè)置的上傳周期上傳數(shù)據(jù)。LoRa 控制器無數(shù)據(jù)傳輸時，斷開連接。 如果連續(xù) 5 次連接失敗，計數(shù)器開始計數(shù)，模塊重新上電初始化，當計數(shù)器達到 10 次后，清零并發(fā)出警報，藍色指示燈常亮，提醒用戶聯(lián)網(wǎng)失敗。LoRa 控制器工作流程如圖 8所示。

4 結(jié) 語

基于 LoRa 技術(shù)的可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測多種可燃性氣體，在通信距離傳輸和功耗性能方面都有了不同程度的改善，實現(xiàn)了可燃氣體安全云監(jiān)控，提高了整體區(qū)域可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性。

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作者簡介： 張海濤（1995—），男，研究生，研究方向為嵌入式開發(fā)。 韓耀振（1984—），男，教授，主要研究方向為現(xiàn)代能源控制技術(shù)、新能源系統(tǒng)控制。

編輯：黃飛