基于LoRa技术的可燃气体监测系统设计

2022-10-19张海涛韩耀振

物联网技术 2022年10期

张海涛，韩耀振

（山东交通学院信息科学与电气工程学院，山东济南 250357）

0 引言

在石油化工行业中不可避免的存在各种易燃易爆、有毒有害的气体，这些气体一旦长时间泄露或积聚在周围环境中，将可能引起火灾、爆炸或人身中毒等重大事故。因此，对可燃气体的监测是安全生产过程中至关重要的环节。随着物联网的发展，无线网络技术在可燃气体监测系统中的应用越来越广泛。文献[1-3]通过ZigBee技术将传感器采集的数据传送到网关节点，由监控中心进行数据分析和处理。文献[4-6]以GPRS网络为基础，通过IP数据流方式传送数据信息，实现对可燃气体的远程监控。以上系统通过采用不同的无线通信技术，均实现了对可燃气体的远程监控。但ZigBee技术无法实现远距离传输，GPRS又易发生丢包现象。针对以上问题，结合LoRa通信距离远、信号收发灵敏度高、功耗低等优点，本文设计了一种基于LoRa自组网的可燃气体监测系统，能够有效监测可燃气体浓度。

1 系统工作原理及功能

图1所示为可燃气体监测系统结构框图，系统主要由无线传感器、LoRa控制器和气体监测云平台组成。无线传感器采集现场气体浓度，对数据进行处理，然后LoRa模块按照规定的通信协议主动将数据发送到相应的LoRa控制器。LoRa控制器对浓度数据进行分析、判断、处理，并定时发送到云平台，云平台接收、显示LoRa控制器的数据，数据异常时平台立即发送短信通知相关人员。

图1 系统结构框图

系统分为3个层次，气体监测云平台与LoRa控制器之间采用GPRS通信方式；LoRa控制器和无线传感器之间采用LoRa通信方式；无线传感器和联动模块之间采用RS 485通信方式。设计的LoRa控制器可连接256个无线传感器，每个无线传感器都有唯一的识别码。为避免信道拥堵，系统默认1个控制器最多可连接100个无线传感器。

无线传感器将采集的气体浓度转换成0～5 V电压信号，并经过处理转换成相应的数据格式。除此之外，无线传感器还具有现场数字显示、调零、标定、变更地址、声光报警等功能。其中，联动模块由电磁阀和排风风扇组成，无线传感器发生报警时，联动模块对应的继电器工作，关闭电磁阀并启动排风风扇，从而避免事故的发生。

LoRa控制器是系统最重要的部分，也是系统设计的难点所在。LoRa控制器一方面通过232与串口屏通信，可查看报警时间、报警浓度、故障类型等，也可设置、修改、查阅系统参数；另一方面，LoRa控制器中的LoRa网关接收无线传感器上传的气体浓度信息，并进行分析、处理、判断。然后将处理数据定期通过无线远传至气体监测云平台，现场报警时立即上传。同时也可修改IP地址、无线传感器数量、上传时间等参数。

2 系统硬件设计

LoRa控制器主要包括电源模块、显示模块、无线通信模块，选用性能稳定的STM32F103RBT6作为控制中心。电源模块主要由主电供电和电池供电两部分组成，主电供电由LS05-13B24R3将交流电压220 V转换成单片机所需要的直流电压5 V。LS05-13B24R3是金升阳提供的小型化裸板的高效绿色模块电源，具有交直流两用、输入电压范围宽、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点，主电源电路原理如图2所示。电池供电则由24 V电池进行供电，24 V转5 V直流降压电路采用MP1584芯片。开关电源通过在内部MOS管上加PWM开关信号，控制MOS管的导通和关断，使电感和电容充放电，以此来实现将电源电压降压的目的。电池供电电路原理如图3所示。

图2 主电源电路原理

图3 电池供电电路原理

无线模块由LoRa网关和GPRS模块组成，主要电路原理如图4所示。LoRa网关采用SEMTECH公司出品的SX1278射频芯片。SX1278射频芯片是一种半双工传输的低中频收发器，具有高灵敏度、低功耗、抗干扰等特点。采用星型网络架构，能将数百万的无线传感器节点与LoRa网关连接。射频前端和数字状态机所有重要参数均可通过一个SPI接口进行配置，通过SPI可以访问1278的配置寄存器。使用SX1278需要注意两点：一是与MCU连接时注意共地连接；二是RST管脚是SX1278无线模块的复位引脚，低电平有效，在初始化操作成功后严禁使用此管脚。SX1278的工作频率为433 MHz，在同等发射功率下低频的传输距离更远，覆盖范围更广。GPRS模块采用SIMCom提供的SIM800C，SIM800C采用省电技术设计，在休眠状态下电流低至0.6 mA。将SIM800C的TXD和RXD与MCU的串口2连接，并通过MCU的串口1进行打印。

图4 无线模块电路

显示模块选用迪文DGUS屏，通过232与微控制器通信，电路原理如图5所示。DGUS屏主要把GUI分解成控件并按页面配置。控件显示由变量控制，通过PC软件配置好控件文件下载到DGUS屏后，通过串口改写变量值即可实现控件显示的相应改变。

图5 232通信电路

无线传感器主要完成对现场气体浓度的采集和数据发送，电路原理如图6所示。选用5 V高性能锂电池供电，当电池电压下降到3.3 V后，蜂鸣器持续10 s警报以提醒用户。无线传感器的微控制器选用FM33LG048，FM33LG048是一款基于ARM32位Cortex-M0+内核的产品，片上内存包括256 KB FLASH 和 32 KB RAM，集成低功耗硬件时钟，内置液晶显示驱动，独特的超低功耗架构设计使得芯片在1 MS/s采样率下，功耗仅为250 μA。红外遥控模块选用VS1838B，可实现对无线传感器的调零和标定。

图6 无线传感器电路

3 系统软件设计

3.1 无线传感器软件设计

无线传感器工作流程如图7所示。首先对微处理器和各模块进行初始化，LoRa模块上电后延时15 s，待LoRa模块配置完成后，开始扫描信道，连接对应的LoRa网关，建立LoRa网络。组网成功后，无线传感器采集数据，每个传感器采集10次数据并取平均值，以保证采集数据的准确性，然后按照规定的协议发送到LoRa网关。当气体浓度超过安全阈值时，自动启动联动模块。无线传感器和LoRa控制器采用一发一收模式，每一次通信均有应答指令。无线传感器上行数据包括设备上行数据、设备应答，LoRa控制器下行数据包括主站下行命令、主站应答。

图7 无线传感器工作流程

3.2 LoRa主控制器软件设计

在进入循环之前，首先对微处理器和芯片进行初始化，显示开机画面3 min，在此过程中不断进行电源检测、按键检测、屏幕检测。开机成功后，LoRa网关上电，并扫描查看是否有LoRa节点加入。LoRa节点加入后，控制器对接收到的数据进行分析判断，主要分为正常、故障、报警三种状态，然后按顺序提取协议中无线传感器中对应的气体浓度和状态位，将其存储到FLASH中。正常状态下，上传时间为6 h，若为故障或报警状态，则立即上传。为降低系统功耗，未达到上传时间时系统处于休眠状态。键值检测及处理部分主要检测屏幕是否有反应，能否根据相应键值进行相关操作。屏幕界面分为三级权限操作目录，每一级权限下有若干下拉界面选项，这些操作功能都在按键数据处理函数中完成。

进入循环之后，需要注意每一个函数处理完成后都要进行备电电路检测。

LoRa控制器与云平台间采用4G长连接模式，通过TCP与云平台建立连接，首次建立连接或者断开连接再次连接上线后，首先发送登录帧，等待云平台应答，超时无应答并重试两次仍无应答则自动断开服务器，释放连接资源；如果收到云平台应答，则进入正常工作流程，按LoRa控制器设置的上传周期上传数据。LoRa控制器无数据传输时，断开连接。如果连续5次连接失败，计数器开始计数，模块重新上电初始化，当计数器达到10次后，清零并发出警报，蓝色指示灯常亮，提醒用户联网失败。LoRa控制器工作流程如图8所示。