一種基于LoRa無線傳輸的嵌入式設備狀態監測

(大連交通大學 電氣信息學院，大連 116028)

引 言

隨著工業化的不斷發展，電氣化設備在人們的生產生活中占據著越來越重要的地位，而設備工作的健康狀態直接影響著工業生產單位的效率，因此設備監測就顯得格外重要，傳統的設備監測主要是人工定期巡檢，不僅消耗大量的人力，并且不能做到在設備達到即將故障的臨界點提前維修，大多數只能在設備發生故障之后緊急搶修，這樣在搶修的過程中，降低了工作效率，而一些定期檢修也只是根據人的經驗來判斷檢修的時間間隔，沒有較強的針對性，效率低。這種在線檢修方式逐步被信息化時代的離線設備監測方式所替代，即將設備的狀態信息通過有線通信的方式傳輸到設備監測中心，由后臺操作人員進行監測。不過，這種有線通信的方式前期施工成本高，布線復雜，后期維護成本又隨著時間的推移逐步升高，而且不利于設備密集的場所使用，靈活度差，所以無線通信方式正在逐步取代有線通信方式，而隨著近些年物聯網技術如火如荼的發展，相關的一些無線通信方案正走入人們的視野。比如近些年流行的LoRa調制技術，如參考文獻[1]設計了一種基于LoRa無線技術的動車軸溫無線監測系統，參考文獻[2]研究了基于LoRa技術的網絡終端無線程序升級系統，參考文獻[3]對基于SX1276芯片的LoRa與FSK技術在室內定位中的應用進行了研究。

本文基于LoRa無線通信技術設計了一款用于設備狀態監測的節點，主要用于點對點網絡傳輸，很好地解決了上述設備狀態監測傳輸問題。

1 監測節點的整體結構與功能

此款設備狀態監測節點采用LoRa調制解調技術，具有低功耗、長距離、抗干擾的優勢，并且使用ISM頻段，無需授權許可，可以根據不同企業的需求，定制自己的私網，在頻段使用上不僅節約了大量的成本，而且提高了設備采集數據的保密性。本監測節點可以實現終端設備狀態采集，并實現數據點對點傳輸，組網簡單可靠，單節點最大發射功率可達+20 dBm。

主控制器芯片采用ST公司的STM32L151CBT6，比基礎型STM32F103系列芯片更節能，擁有128 KB的Flash空間，具有豐富的片上外設，如USART、SPI、I2C接口、模/數轉換通道，并且還具有DMA功能。其中數傳模塊采用安信可公司的Ra-01模組，其中內部集成本次節點設計核心部件——LoRa數據傳輸芯片SX1278(Semtech公司)，該芯片適合在中國大陸ISM頻段的低頻段區間(137～525 MHz)使用，而北美地區則常使用SX1276。該節點前端有溫度傳感器負責監測設備的溫度，還有標準USB接口電路，負責采集傳輸設備狀態數據，并通過通用異步收發器將采集信息傳輸給主控制器芯片，主控制器芯片將采集數據通過SPI接口傳輸給數傳模塊，該模塊再將數據通過LoRa調制的方式傳輸出去，實現數據采集、傳輸的功能。在傳輸距離、抗干擾性以及功耗方面具有優勢。具體結構如圖1所示。

圖1 監測節點的結構框圖

2 監測節點的硬件設計

2.1 電源設計

電源部分不僅是嵌入式設備能量的來源，更是設備能否正常穩定運作的保證，對于電源輸出電壓大小及穩定性有著很高的要求。針對各個功能模塊對電壓的需求，該電源部分要可靠輸出5 V和3.3 V電壓，輸出電壓波紋不能太大。第一套方案采用開關型DC-DC電源轉換電路，輸入電壓為12 V，輸出電壓為5 V，該5 V電壓可以提供給USB數據采集電路和溫度采集電路使用，最后通過低壓差線性穩壓電路(LDO)輸出3.3 V電壓供給MCU控制電路和LoRa傳輸模塊。DC-DC電源轉換電路采用德州儀器公司的LM2576SX-5.0芯片，具有很好的穩壓效果，具體電路如圖2所示。

圖2 開關型DC-DC電源轉換電路

由于該DC-DC電源轉換電路中有兩個220 μF的電解電容、一個220 μH的功率電感和一個肖特基二極管，體積比較大，即使是表貼封裝也占用大量的PCB面積，而且220 μH功率電感是一個很大的干擾源，在PCB走線的時候，對時鐘線和信號線影響較大，所以綜合考慮，此方案并不合適。

第二套方案就是本監測節點所采用的電源電路，核心技術采用“雙聯式”低壓差線性穩壓電路(LDO)。輸入為直流12 V，經過線性穩壓，上半部分輸出5 V直流電壓，下半部分輸出3.3 V。電路結構如圖3所示。

圖3 “雙聯式”低壓差線性穩壓電路

LM1117-3.3與LM1117-5.0穩壓芯片不僅在體積上小于LM2576-5.0，而且即使有兩路穩壓電路，也比LM2576-5.0核心的DC-DC電源轉換電路節省很大的PCB面積，這不僅在成本上可以節約很多，而且外圍電路搭建簡單，輸入輸出分別只需一個47 μF的電解電容和一個0.1 μF的MLCC即可。前者負責低頻濾波、穩壓，后者負責高頻濾波，保證輸出電壓波紋穩定。筆者考察下路輸出電壓穩定性的數據見表1。

表1 3.3 V線性穩壓輸出測試

由表中數據分析可知，當輸入電壓小于3.3 V時，輸出欠壓，只要當輸入電壓高于3.3 V時，輸出穩定在3.3 V左右，當輸入為12 V時(本監測節點輸入電壓)，輸出也穩定在3.3 V。由此說明該設計滿足工程需要。上路線性穩壓芯片同屬一個公司產品，也滿足該設計要求，穩定輸出5 V。

2.2 功能電路設計

功能電路部分包括MCU控制電路(U1)、溫度采集電路(U6)、USB數據采集電路(U5)和LoRa傳輸模塊(U2)。詳細電路圖如圖4所示。

圖4 監測節點的功能電路圖

其中，溫度采集電路采用數字溫度傳感器DS18B20，這種數字溫度傳感器采用獨特的單線接口方式與STM32L151CBT6芯片相連，只占用了微控制器的一個I/O接口(PA0)，因此電路連接簡單，而且在外部5 V供電的條件下，溫度測量精度高。本節點采用DS18B20外部電源供電方式，實現單點測溫，也可以實現多點測溫的功能，電路結構如圖5所示。

圖5 DS18B20多點測溫電路圖

但需要注意的是，當采用多點測溫時，數字溫度傳感器供電方式一定要采用外部電源供電方式，不可以采用如圖6所示的寄生電源供電方式，雖然寄生電源供電方式可以實現遠距離溫度測量，無需本地電源供電，但是當多個DS18B20傳感器掛載在一個I/O接口線的時候，會導致I/O接口的驅動能力不足，嚴重影響數字溫度傳感器的溫度測量精度，甚至會導致錯誤的測量結果。即使采用外部供電方式，多點測量溫度時，I/O接口也不是無限制地掛載傳感器，其數量最多不要超過7到8個，否則測溫精度也會大大下降。

圖6 DS18B20寄生電源供電方式

USB數據采集電路通過芯片CH340G實現USB轉串口，該轉換芯片需要外接12 MHz晶振為內部提供時鐘，本電路選擇5 V供電模式，引腳V3要外接0.1 μF去耦電容接地，在VCC引腳除了提供5 V供電外，還要外接去耦電容和電解電容到地，詳細電路結構見圖4。

在LoRa數據傳輸模塊中，其內部SX1278芯片按照Semtech公司給出的參考電路，已經搭建完成，模塊外只需對電源引腳部分做簡單的濾波處理即可，模塊的I/O接口引腳與微控制器GPIO引腳相連。

MCU控制電路主要搭建其最小系統，包括起振電路、復位電路、啟動配置電路、電源電路，還有如圖7所示的下載電路。這里采用JTAG程序下載方式，在VDDA(模擬供電)引腳加入C8電容，這樣使電源輸入更穩定，提高了使用ADC功能時采集信號的精度。詳細電路結構如圖4所示。

圖7 JTAG下載電路

3 監測節點軟件設計

該監測節點可以實現點對點傳輸，在組網時其地位是平等的，根據具體的用途可以實現采集發送節點和接收節點的相互轉化。在軟件功能設計上分為發送和接收兩個功能，其軟件流程圖如圖8和圖9所示。

圖8 發送節點軟件流程

圖9 接收節點軟件流程

對于發送節點，首先進行節點初始化，包括MCU芯片各引腳、時鐘的配置等，然后節點通過USB數據采集電路設備運行狀態數據，或者通過DS18B20溫度采集電路采集設備溫度信息。當有發送需求時，響應發送中斷，然后MCU控制電路通過SPI接口與LoRa數據傳輸模塊進行通信，將采集的數據寫入LoRa模塊的FIFO數據存儲區，并配置LoRa模塊的發送模式，最后進行數據的發送。如果由于信道占用導致超時，或者接收節點接收數據錯誤導致無法回復ACK，發送節點將進入重發階段，如果發送成功，即等到了接收節點的ACK，則繼續等待發送數據的請求，等待下一階段的數據傳輸。

對于接收節點，當其上電后，首先初始化節點，如果該接收節點是網絡中的接力節點，則不需要采集設備的狀態數據，上電以后就在一定的時間間隔內由既定程序喚醒，不斷檢測空中數據包的前導碼，其他時間處于休眠狀態，這樣可以降低節點的功耗。當檢測到空中數據包的前導碼有效時，則發送接收數據的中斷請求，如果該前導碼無效則不接收該數據包，并繼續檢測前導碼。當發送的接收數據中斷請求被響應后，就會配置LoRa模塊中接收模式的寄存器，然后判斷該數據包負載部分的CRC校驗字節是否正確，如果正確，則讀入該數據，并且轉換成待機模式，然后繼續檢測前導碼，準備下一次數據的接收，如果數據包的CRC校驗字節不正確，則丟棄數據包，不進行讀入操作，直接進入待機模式，準備下一次數據的接收。

4 實驗測試分析

實驗測試場地選在大連交通大學沙河口校區，測試時間為2018年7月。采用雙節點一對一通信模式，沒有中繼節點接力轉發，考察節點數據傳輸質量與傳輸距離極限。發射節點位于電氣信息學院三樓東側302實驗室，接收節點分別沿圖10中標注的3條路線分別測試，圖中終點位置為通信極限點。

其中接收節點在電氣信息學院樓內的各個地點均能接收到采集數據，接收正確率為100%，說明其在室內傳輸性能非常不錯，所以當該監測節點用于室內設備監測時，數據傳輸性能最佳。

室外傳輸場景比較復雜，正值炎夏，校園內兩旁高樹林立，這些都是影響無線信號傳輸的潛在因素。筆者選出實驗路線1分析，經過大量反復實驗，在配置傳輸條件時，設置帶寬為125 kHz，擴頻因子分別為7、8、9時，傳輸效果最好。如圖10所示，當過雙峰瀑布向西以后，通信質量開始下降，接收數據時延變長，直到圖10中最后箭頭所示位置以后，接收信息無法使用。筆者站在1號路線的心型處進行該測試，其測試統計結果如表2所列。

圖10 實驗測試路線圖

表2 實驗路線1心型位置數據接收測試統計結果

由此可見，在室外復雜的環境條件下，單節點+20 dBm的功率依然可以傳輸很遠，而且接收數據正確率滿足設備狀態監測要求，在實際應用中可以在兩節點間增加中繼節點，這樣就可以增強傳輸質量，綜合分析測試結果達到了預期目標。

結 語