LORA无线通信数字开关量数据传输

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摘要:针对钢铁企业现有设备分散、环境恶劣、综合布线复杂等开关数字量采集困难问题，同时为解决因电磁干扰等外界不可控因素导致无线数据传输中数据丢包实际问题，提出基于lora无线通信可靠握手协议的数字开关量数据传输。采用光电耦合及电路滤波技术提高开关量采集准确性;以SX1278无线电路作为数据传输载体提高点布设传输灵活性;采用可靠握手协议提高数据传输可靠性。实验证明，该设计具有高可靠性与点布设灵活性特性。

关键词:LORA无线通信;数字开关量;可靠协议传输

引言

近年来，随着计算机无线通信技术发展，中国2025高端制造规划和工业化4．0改革的推动，促进冶金行业自动化信息技术革新，因此工业现代化改造已成为现今研究热点。而现代化工业现场控制环节中，涵盖了大量工控信号，这类信号包括连续和离散的高低频信号，作为工业设备的外部激励控制信号，如仅靠人工手动连接实现控制已经不能满足现代化工业需求，尤其是钢铁冶金行业现场环境复杂，更不利于人工手动控制和现场布线。如何有效、灵活及可靠采集与传输这类工控信号是保障现代化工业高效、安全生产的前提。在已有的相关领域研究中，赵凤华等人设计开关量在液位测量中应用［1］;黄宝娟等人设计开关量驱动电路对电机正反控制［2］;李大伟等人提出带有自诊断电路的开关量系统［3］。而这些研究与设计都未考虑工业现场各种复杂环境对开关信号传输的影响，基于此，该文提出基于LORA无线通信可靠握手协议的数字开关量数据传输。

1数字开关量总体架构设计

该文数字开关量系统是通过采集工业设备中各种干接点信号，如限位开关、行程开关、各类按键、继电器输出、火灾烟雾报警器等，以实现对运行中设备的监控及操作。图1为系统总体设计框架图，分为开关量信号采集端和接收端两大部分。在采集端通过带有过压保护器的光电耦合电路获取工业设备中的开关量信号，信号经硬件去抖后由单片机读取到RAM中，同时，为方便监控所采集的数字量，通过OLED显示模块进行数字化显示，后经无线LORA发送至接收端;接收端通过无线LORA接收到采集端的数字开关量信号，通过继电器开关控制设备，并由网口将数据封装ModbusTCP协议传输到终控室进行实时监控。

2系统硬件及软件设计

2．1硬件设计部分

开关量检测电路是数字开关量系统硬件设计的关键部件，图2为数字开关量检测电路。F1为电压输入保险丝，反向保护电源模块，DIO为干结点采集端，R1，R2分别为分压电阻;设计中当输入节点DIO为高电平时，输入信号为1，当输入节点DIO为低电平时，输入信号为0;S1和S2为过压保护电路，当回路中瞬时电压超过设计输入3．3V电压时旁路到地线，达到保护电路作用;U1为光耦电路，考虑工业现场存在大量不确定电磁辐射串扰，设计时增加光电耦合，即将输入电信号通过光敏二极管转化成光信号，再由光敏三级管将光信号转换成电信号输入后级处理，实现节点输入与信号检测分离，从而抑制共模噪声干扰，R3为光耦集电极上拉电阻以提高其负载能力，DS1为信号指示;R4，C1构成低通滤波器，滤除高频脉冲干扰。为解决现场布线困难问题，提出采用无线LO-RA数据传输代替传统工业现场布线的方式。图3为无线LORA收发电路，采用SX1278无线电路模块，该电路以LORATM作为远程调制解调器，覆盖远距离扩频通信，其无线通信理论值可达10km，较之传统通信调制技术在抗阻塞和选择性方面有明显优势，更兼有抗干扰强、低功耗等特性。SX1278电路需要由外部提供32M晶振作为基准时钟，采用SPI总线，引脚16，17，18与MCU相连交换数据，DIO0～5为中断输出，用于数据完成与接收到数据中断，可编程控制，RFO_LF为射频输出，PA_BOOST选择大功率PA输出，VR_PA为PA稳压电源，RX-TX/RF_MOD为串口Rx/Tx控制开关。

2．2系统软件设计

系统软件设计开发平台采用32位的STM32103RB作为主控芯片，主频为72MHz，具有性能强、功耗低和实时性等特点。为了保证数据采集的实时性和安全性，使用开源的轻量级RTOS系统，该系统包括任务管理、资源管理、存储管理和系统管理基本管理函数库，嵌入式RTOS系统支持最多64个任务，其中56个为用户任务，系统保留4个优先级别最高和最低的任务。系统从优先级队列中高到低执行任务且每个任务都有独立的优先级。图4为系统软件设计流程。设计时加载RTOS系统，进行系统初始化，设计数字开关量读取和数据与命令字收发2个任务块，设置数字开关量读取为最高优先级，收发数据为次级优先级。对8路I/O口配置为输入模式，采集数字开关量过程为周期50ms定时轮询，当定时达到中断时复位中断标志位并获取I/O状态，判断I/O状态口是否发生改变，如是则进行数据发送。数据收发模块为LORA无线传输，该设计方案是针对钢铁企业现有设备分散、环境恶劣、综合布线复杂等开关数字量采集困难问题，同时为解决因电磁干扰等外界不可控因素导致无线数据传输中数据丢包实际问题提出采用可靠握手协议的无线LORA传输，将需要发送的开关量数据封装自定义协议，主要包括采集端ID、发送请求应答命令和CRC校验码，通过SX1278无线电路模块发送到接收，为满足实时性要求，应答请求在接收中断中获取，同时开始计数，当计数值超过预设值时判定为数据丢包开始重新发送;当接收中断获取采集终端返回接收应答请求后，则完成一次开关量数据传送。

3系统在工业控制现场应用

该系统应用在某冶金现场运煤皮带开关控制，图5为开关量接收端应用工业现场图片。图中1为设计主体;2为OLED液晶显示;3为继电器控制输出端子，共8路输出;4为外部电源输入端子;5为无线LORA发送天线接口，采用发射增益3．5db，433MHz全频段天线，理论发射距离为10km。此次测试分别选取500m，1km，2．5km，5km处4个接收点进行数据接收测试实验，分别在采集端发送5000个开关量数据，同时采用直接收发作为对照组实验。表1为实验测试数据，从表中结果可以得出，采用该文提出的基于LORA无线通信可靠握手协议的数字开关量数据传输在4个接收点未出现丢包情况，而采用直接收发在不同测试点都出现丢包情况，且随传输距离增加其丢包率也增大，从而证明该文设计具有高可靠性与点布设灵活性。

4结论

该文设计一种通过LORA无线通信可靠握手协议的数字开关量数据收发设备，解决钢铁企业现有设备分散、环境恶劣、综合布线复杂等开关数字量采集困难问题，在厂区范围内通过放置接收模块，实现2～3km的LORA通信，中间通信过程不需要接线，就可完成数字量信号的数据传输，同时解决了丢包问题，简化了项目施工与后期维护的复杂程度及人力物力。实验证明，该系统设计在相同数据传输条件下传输可靠性高，设备安装位置不受限制，可安装在任意地点。

参考文献:

［1］赵凤华，高原．开关量———数字显示电路在液位测量中的应用［J］．矿山机械，2005(12):125－126．

［2］黄宝娟，高振华，张育林．一种开关量驱动训练板的设计与使用［J］．高校实验室工作研究，2018(01):131－133．

［3］李大伟，吴燕娟，盛成龙，等．开关量检测系统自诊断技术与实现方法研究［J］．工业仪表与自动化装置，2018(2):33－39．

作者：叶方跃 郑伟南 单位：江苏金恒信息科技股份有限公司