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基于物联网及云平台的工厂环境远程监控系统

时间:2020-10-19 作者:lylunwen 所属分类:杂志社官网 点击:136次

关键词:学术期刊,学术论文,著作出版,电子论文发表
 
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摘要:以低功耗广域物联网(LPWAN) LORA 和NB-IOT 技术为基础,利用机智云平台,设计出一种适用于大空间范围的环境监控系统。该系统通过各监测点的LORA 终端对环境参数进行采集并无线发送至LORA 集中器,后者将数据处理后经NB-IOT 模块传送至机智云平台,从而可通过机智云移动电话APP 访问云端实现工厂环境的远程实时监控。系统同时具有基于LabView 界面和485 总线的现场监控功能。通过测试,系统工作稳定、通信可靠、参数检测和相应控制准确,达到了实用要求,具有较高的应用和推广价值。
 
  关键词:物联网;云平台;工厂环境;远程监控
 
1系统总体设计
 
  本系统主要由LORA 终端、LORA 集中器、NB-IOT 模块、机智云平台、PC 主机及智能移动电话终端等组成。系统采用星型拓扑结构,具有结构简单和低功耗的特点[7]。
 
  从功能上可将整个系统分为3 层:感知层、传输层及应用层。感知层为安置在厂区各处的LORA 终端系统, 每个LORA 终端包含了对应各环境参数的传感器组、STM32 核心控制板、LORA 无线通信模块、相关接口。传感器对各种环境信息进行采集后,STM32 板将数据进行分析处理并通过LORA 模块无线汇集到LORA 集中器[8]。传输层主要包括LORA 集中器组、NB-IOT 模块和RS485 总线等,负责感知层和应用层之间的远程信息交互。应用层包括机智云平台、智能终端、监控主机等,主要用于存储、分析、监控各环境数据。监控主机用于现场的监控;机智云平台和智能终端共同实现远程监控,突破了时间空间的限制。
 
  1.1感知层系统
 
  感知层主要完成现场各环境参数的信息采集、处理、上传等任务,并执行云端或上位机下发的相关控制命令。该层由分布于监测空间各处的多个LORA 终端系统组成,LORA 终端以STM32 控制板为核心,搭载传感器组、LORA通信模块。
 
  1.1.1传感器组
 
  由各种环境参数对应的检测传感器组成,并可根据具体场合进行增减。主要由温湿度传感器、光照强度传感器、空气粉尘浓度传感器 (检测空气中的灰尘烟尘和雾霾颗粒等)、可燃气体传感器、毒性气体 (如CO、煤气、液化石油气等) 传感器等[9]。各传感器的型号对应为:DHT22、BH1750FVI、GP2Y1010AU0F、MQ-5、MQ-9。
 
  (1)电路连接
 
  因篇幅所限在此仅以温湿度传感器为例进行介绍。DHT22 为含有已校准数字信号输出的温湿度复合型数字式传感器, 其温湿度数据均为16 bit,采用单总线串口通信、单列4 针脚封装,便于嵌入式系统集成。模块具有体积小、功耗低、传输距离长、稳定可靠等特点, 非常适合本设计的需要[10]。DHT22 供电电压为3.3~6 V,同时考虑其单总线双向通信的需要而选用STM32 控制板通用双向IO口与之连接。
 
  (2)数据格式
 
  DHT22 采用单总线数据格式。DATA 引脚用来与微处理器进行同步和通信,一次通信时间 5 ms 左右,传输数据40 bit, 高位在前, 低位在后, 具体格式为: 16 bit 湿度数据+16 bit 温度数据+8 bit 校验和,程序代码依据此格式进行时序控制与数据处理。其中,8 bit 校验和为 16 bit 湿度数据和16 bit 温度数据拆分为高、低4 个字节,然后求和,取和的低
 
  8 bit。例如,湿度数据:0000 0011 1000 1100;湿度数据:
 
  0000 0001 1010 1110; 则 8bit 校验和为 0000 0011 + 10001100+0000 0001+1010 1110 结果的低8 bit,为0011 1100;于是最终 40 bit 数据为: 0000 0011 1000 1100 0000 0001 10101110 0011 1100 。
 
  (3)通信时序
 
  DHT22 为从机工作模式,空闲时总线为高电平,用户主机 (STM32) 发送一次低电平开始信号将DHT22 从低功耗模式唤醒到高速模式。主机开始信号结束后,DHT22 首先发送一个 80 μs 左右的低电平响应信号;随后拉高 80 μs 并进入40 bit 的数据传送过程。每bit 数据由50 μs 的低电平和一个高电平组成,低电平代表数据位的开始,高电平长度代表数据位的值,较长的高电平代表1、较短的高电平代表0。
 
  1.1.2STM32 控制板
 
  STM32 为LORA终端和集中器的控制核心,本设计选用ST 公司Cortex-M3 架构的32 位主流ARM 芯片STM32F103RCT6, 其供电电压2~3.6 V,为64 脚LQFP 封装,内部集成256 kB 的FLASH 程序存储器和48 kB 的RAM 存储器,自带CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB 等多种多个通信接口,非常适合与各类型传感器和通信模块的嵌入式连接[11]。
 
  STM32 板最小系统,包括电源、晶振、复位电路外,还需进行如下处理:(1) BOOT0 和BOOT1 经10 kΩ下拉电阻接地;(2) 电池供电的BEAT 引脚经100 μF 电容上拉到 3.3 V;
 
  (3) 模拟量引脚VDDA 和VSSA 分别经0R 磁珠与3.3 V 和GND 连接,并在两引脚间并联104 电容。上电复位电路采用X5043 芯片,同时用于数据的断电存储。
 
  因为LORA 终端系统需要用到基本的继电器输出,用于掉线、参数超标等的声光报警或向风扇、空调等发出控制信号,所以,该电路采用光电耦合器PC817 进行内外电路系统的光电隔离,可大大提高系统的抗干扰能力。
 
  1.1.3LORA通信模块
 
  LORA 终端的无线通信功能通过ATK-LORA-01 模块来实现,该模块采用基于LORA 技术的SX1278 扩频芯片并集成32 位高性能MCU,具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。模块收发同体(模块可设置为发送或接收端),通过AT 指令实现功能配置、通信控制和模式选择等; 使用433 MHz 免费工业频段,自组网通信,不会产生通信费用[12]。LORA 终端与LORA 集中器通过各自的ATK-LORA-01 模块进行无线通信。
 
  1.2传输层系统
 
  传输层主要功能为LORA 本地系统内的信息无线收发, LORA 集中器与现场主控电脑的通信,LORA 集中器与云平台的连接等。具体系统为LORA 集中器。包括STM32 板与LORA 模块的连接、STM32 板与主控电脑的RS485 接口设计、STM32 板与物联网云平台间的NB-IOT 连接设计等。因为传输距离、功能要求等不同,本系统有两种无线网络部署:本地各LORA 终端、LORA 集中器之间的LORA 无线网,LORA集中器与云平台之间远程连接的NB-IOT 网络。
 
  1.2.1集中器的LORA模块
 
  集中器的LORA 模块主要负责与各LORA 终端进行通信, 收集各终端设备采集的环境数据并发送相关控制信号。具体为 STM32 板与ATK-LORA-01 模块的连接和控制。其中STM32 板、ATK-LORA-01 模块及其相互连接与LO⁃ RA 终端设计相同,只是STM32 程序和ATK-LORA-01 模块的控制逻辑根据具体功能而不同[13]。
 
  1.2.2RS485 总线接口
 
  LORA 集中器通过RS-485 总线 (差分信号传输、抗干扰能力强) 将各终端数据上传给现场监控主机,并接收主机下发的相关指令。
 
  1.2.3NB-IOT 模块的接口电路
 
  窄带物联网NB-IOT 受到国内三大电信运营商的大力推广和全面部署,其信号覆盖范围甚至超过了手机信号,它的出现使物联网通信得以突破空间的限制,有信号覆盖的任何地方都可以通过NB-IOT 模块与物联网云平台进行数据传输,并可通过远程网络终端进行监控[14]。在此选用NB-IOT 模块型号为WH-NB73,具有资料详实、接口简单 (WH-NB73 模块与STM32 板之间通过串口和AT 指令进行连接)、稳定可靠等特点[15]。
 
  1.3应用层系统
 
  应用层主要包括工厂环境的现场监控和远程监控两部分。其中,现场监控系统采用LabView设计功能界面,监控主 机经USB-485 转换模块与LORA 集中器的RS-485 总线接口连接进行监测数据和控制信号的传输,从而实现工业现场的环境监控。而工厂环境的远程监控则通过物联网云平台及智能终端APP 联合实现。
 
  1.3.1机智云平台应用
 
  随着物联网技术的飞速发展,各种物联网云平台不断涌现,但它们的功能强弱有别、使用门槛高低不同,具体应根据实际情况选择,本设计采用机智云平台。
 
  机智云是同时面向企业和个人开发者的、从智能硬件接入到应用管理的全生命周期的物联网云服务平台。平台能自动生成已封装设定协议的MCU 代码(只需进行数据节点和相关逻辑的编写), 提供 APP 开发的 SDK 代码或 APP 成品Demo,提供直连机智云的相关通信模组固件,如此大大降低了物联网应用的技术门槛,并使开发效率得到极大提高[16]。
 
  物联网论文范例:物联网业务识别模型初步方案
 
  2结束语
 
  本文设计了一种基于LORA、NB-IOT 技术与机智云平台的工厂环境远程监控系统,给出了系统的整体结构,分别对感知层、传输层和应用层进行了设计, 包括各种传感器、STM32 控制板、LORA 通信、NB-IOT 通信、机智云物联网平台、智能终端APP 等。系统设计合理,功能稳定可靠,充分利用了当前新技术新理念,实用性和可推广性强,通过实际测试能够达到实用要求。
 
  参考文献:
 
  [1]佚名.天嘉宜"3.21"爆炸事故:安全和污染问题的双重考验[J]. 环球聚氨酯,2019(03):49-52.
 
  [2]SinhaRS, WeiY, HwangSH. A survey on LPWA technology: Lo⁃ Ra and NB-IoT[J].lctExpress,2017,3 (1).
 
  仲宇璐,李娜. 基于LORA 技术的农业大棚温室监测系统设计[J]. 淮北职业技术学院学报,2019,18(2):111-112.
 
  蜂窝上的万物互联:NB-IoT[C].未来移动通讯论坛.2016.
 
  蔡友宏. 基于NB-IoT 和OneNet 云平台的环境监测系统[J]. 电子技术与软件工程, 2018(24): 51-52.
 
  作者:张玉丽
 
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