楊欽榕，陳萬培，高 紳，張 濤,韓 恒

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)愈發(fā)普及，智能化的運(yùn)行與管理[1]給人們帶來了諸多的便利。作為感知層的典型代表之一，傳感器在電力等行業(yè)的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著不可替代的作用。通過在被測量物體上安裝傳感器，感知物體的所處區(qū)域，傳感器可采集所需的信息，獲取相應(yīng)的參數(shù)，并按照傳輸協(xié)議將信息從感知端傳輸至接收端[2]，而后傳輸至服務(wù)器端。

趙帥豪[3]對(duì)藍(lán)牙低功耗技術(shù)進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了基于低功耗藍(lán)牙定位的老年人室內(nèi)跌倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和地鐵應(yīng)急通信系統(tǒng)。李佳等[4]將藍(lán)牙低功耗技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套基于藍(lán)牙技術(shù)的體溫監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)比，測量速度更快，測量精度更高。而Stellin等[5]設(shè)計(jì)并評(píng)估了基于無人機(jī)的WiFi自組網(wǎng)的雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效解決了在網(wǎng)絡(luò)中斷或阻塞的情況下，使用固定網(wǎng)關(guān)不再有效的問題。同樣，文獻(xiàn)[6-7]選擇WiFi作為系統(tǒng)的通信方式，實(shí)現(xiàn)終端管理對(duì)傳感器模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的多元化[8]，藍(lán)牙、WiFi等通信方式已經(jīng)無法滿足戶外條件下通信距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性好和穩(wěn)定性強(qiáng)等需求，ZigBee等通信距離較遠(yuǎn)同時(shí)具有低功耗特點(diǎn)的通信方式逐漸走進(jìn)人們的視野，受到研發(fā)人員的青睞。劉少楠等[9]在研究優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延、均衡節(jié)點(diǎn)問題的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并利用改進(jìn)后的ZigBee路由協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]就如何將無線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于住宅和商業(yè)空間的電力負(fù)荷自動(dòng)化的問題進(jìn)行了論述，提出了智能插頭生態(tài)系統(tǒng)的改進(jìn)方案，解決了星形結(jié)構(gòu)中RSSI觀測的局限性。

與ZigBee有所不同，LoRa通信方式更適合在長距離傳輸場景中的應(yīng)用。梅大成等[11]設(shè)計(jì)了一種基于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的差異性時(shí)隙分配策略的無線數(shù)據(jù)采集方法，有效地解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在復(fù)雜油田環(huán)境中組網(wǎng)困難和超高功耗的問題，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田的建設(shè)。文獻(xiàn)[12]論述了研究人員Kathan等設(shè)計(jì)的一個(gè)多層架構(gòu)的智能停車系統(tǒng)，通過使用多個(gè)傳感器、適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)以及edge和云計(jì)算的先進(jìn)處理能力，使得設(shè)計(jì)的智能停車系統(tǒng)可以有效地解決交通堵塞、停車?yán)щy的問題，真正實(shí)現(xiàn)智能化管理。

基于上述文獻(xiàn)啟發(fā)，結(jié)合高壓輸電線路工作在戶外環(huán)境中的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)分別采用ZigBee和LoRa兩種不同的通信方式設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，為溫度數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)獨(dú)特的報(bào)文，數(shù)據(jù)通過4G通信模塊上傳，最終在服務(wù)器上讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee的測溫系統(tǒng)主要由基于CC2630的傳感器節(jié)點(diǎn)、基于CC2530的數(shù)據(jù)匯集器和服務(wù)器組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ZigBee溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of ZigBee temperature monitoring system

每個(gè)溫度傳感器按一定時(shí)間間隔測量線路溫度，按固定的報(bào)文格式先無線傳輸給數(shù)據(jù)匯集器中的協(xié)調(diào)器(即CC2530)，通過杜邦線分別連接數(shù)據(jù)匯集器的串口和4G通信模塊的串口，報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸至指定服務(wù)器。在服務(wù)器中輸入某個(gè)傳感器的MAC地址，即可查看到對(duì)應(yīng)傳感器所監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)匯集器

ZigBee技術(shù)是一種適用于較遠(yuǎn)距離的無線通信技術(shù)，擁有傳輸性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)拓?fù)浼肮牡偷葍?yōu)勢，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和智能家居等領(lǐng)域有著大規(guī)模的應(yīng)用[13]。此系統(tǒng)中，選用CC2530為MCU，首先接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析等處理，最后將數(shù)據(jù)通過4G通信模塊上傳至服務(wù)器。具體實(shí)物如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)匯集器Fig.2 Data collector

1.2.2 基于ZigBee的傳感器

溫度傳感器模塊選用CC2630作為MCU核心控制單元，選用32.768 kHz和20 MHz的晶振組成晶振模塊，為傳感器提供時(shí)鐘信號(hào)。在下載端口，單排五孔排針與JTAG下載器相連，從上到下依次分別為：TMS、TCK、RESET、VDD和GND。具體實(shí)物如圖3所示。

圖3 溫度傳感器Fig.3 Temperature sensor

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點(diǎn)端

在ZigBee溫度監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器和傳感器的工作流程如圖4所示，協(xié)調(diào)器CC2530在一個(gè)周期中初始化后首先開始組網(wǎng)，各傳感器節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后，發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求[14]。若請(qǐng)求成功，則該傳感器加入網(wǎng)絡(luò)；若請(qǐng)求失敗，則重新發(fā)起請(qǐng)求，3次請(qǐng)求失敗時(shí)，傳感器重啟。傳感器入網(wǎng)經(jīng)過初始化后，開始采集數(shù)據(jù)，通過CC2630傳輸至數(shù)據(jù)匯集器，匯集器識(shí)別、解析數(shù)據(jù)，正確后通過4G模塊發(fā)送至服務(wù)器。所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，協(xié)調(diào)器和傳感器都進(jìn)入休眠模式，保持低功耗狀態(tài)。

圖4 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和傳感器 節(jié)點(diǎn)工作流程Fig.4 Workflow of coordinator and sensor nodes in ZigBee-based temperature monitoring system

1.3.2 報(bào)文設(shè)計(jì)

在基于ZigBee的測溫系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)方案是一個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)都將采集到的數(shù)據(jù)上傳至該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)匯集器，也就是“多對(duì)一”的工作模式。對(duì)于匯集器而言，要想準(zhǔn)確地識(shí)別每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，需要依靠其獨(dú)特的身份加以辨別。為此，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了報(bào)文，所有數(shù)據(jù)按照?qǐng)?bào)文格式傳輸。

報(bào)文內(nèi)容包括報(bào)文頭、傳感器ID、MAC地址、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)、電池電壓值和CRC校驗(yàn)等，具體格式如表1所示。

表1 ZigBee測溫系統(tǒng)報(bào)文格式

由表1可以看出，在報(bào)文中，MAC地址占2個(gè)字節(jié)，是每個(gè)傳感器特有的標(biāo)志。同時(shí)報(bào)文中加入了數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和電池電壓2類數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的讀取與分析。此外，數(shù)據(jù)采集時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)和電池電壓皆采用16進(jìn)制的形式傳輸。

1.3.3 服務(wù)器端

服務(wù)器在收到溫度數(shù)據(jù)后，判斷報(bào)文內(nèi)容是否與設(shè)計(jì)的報(bào)文格式相同，若相同，則判斷正確，數(shù)據(jù)存入服務(wù)器；若不同，則判斷錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)無法正常傳輸至服務(wù)器。具體流程如圖5所示。

圖5 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端工作流程Fig.5 Server workflow of ZigBee-based temperature monitoring system

2 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于LoRa的測溫系統(tǒng)主要由基于STM32FO30F4型單片機(jī)的傳感器節(jié)點(diǎn)、基于有人芯片的4G通信模塊和服務(wù)器組成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 LoRa溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.6 Overall design of LoRa temperature monitoring system

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LoRa傳輸方式的溫度傳感器設(shè)計(jì)中，STM32F030F4型號(hào)的單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)空間大、串行調(diào)試接口和I/O口皆具備等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)功耗低、工作電壓較低，因此是作為溫度傳感器MCU的不錯(cuò)選擇。在通信模塊，MP1482充當(dāng)降壓的角色，將5 V電源降為3.8 V，再利用2個(gè)二極管將3.8 V電壓降至3.3 V，作為驅(qū)動(dòng)元器件工作的電壓。選用SP3232和USR-LTE-7S4分別作為通信模塊的232串口部分和4G部分。硬件實(shí)物如圖7所示。

圖7 LoRa溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物Fig.7 Physical picture of LoRa temperature monitoring system

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)端

基于LoRa傳輸方式的測溫系統(tǒng)傳感器工作流程如圖8所示。

圖8 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程Fig.8 Sensor node workflow of LoRa-based temperature monitoring system

LoRa雖具備傳輸距離長的優(yōu)點(diǎn)，但這種長距離傳輸也就帶來了功耗較高的問題。為真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，必須控制傳感器節(jié)點(diǎn)在不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸時(shí)處于休眠狀態(tài)，到工作時(shí)再啟動(dòng)。傳感器采集到數(shù)據(jù)后首先存入緩沖區(qū)，再上傳至接收端。當(dāng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部上傳后，后續(xù)傳感器中的數(shù)據(jù)才繼續(xù)放至緩沖區(qū)。所有數(shù)據(jù)上傳完畢后，傳感器恢復(fù)至低功耗狀態(tài)。

2.3.2 報(bào)文設(shè)計(jì)

與基于ZigBee的測溫系統(tǒng)一樣，基于LoRa的測溫系統(tǒng)也有其自己的一套報(bào)文?；贚oRa測溫系統(tǒng)的報(bào)文設(shè)計(jì)如表2所示[15]。受STM32F030F4型單片機(jī)最大傳輸字節(jié)數(shù)的影響，此套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)文長度為17個(gè)字節(jié)。其中包括了傳感器序列號(hào)(類似于MAC地址)、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)和電池電壓等內(nèi)容。

表2 基于LoRa測溫系統(tǒng)的報(bào)文格式

2.3.3 接收端

與發(fā)送端一樣，接收端首先跳出休眠模式，接收發(fā)送端的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、解析等處理，處理完畢后再通過4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。同時(shí)，接收端也有緩沖區(qū)，接收來自傳感器端的數(shù)據(jù)時(shí)，先存入緩沖區(qū)，一組數(shù)據(jù)識(shí)別和解析完畢后，才能進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的處理。所有數(shù)據(jù)處理完畢后，接收端恢復(fù)至低功耗狀態(tài)，其具體流程如圖9所示。

圖9 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)接收端工作流程Fig.9 Receiving end workflow of LoRa-based temperature monitoring system

2.3.4 服務(wù)器端

服務(wù)器端的工作流程如圖10所示。服務(wù)器作為接收數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[16]的地方，首先對(duì)接收端傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、判斷，判定數(shù)據(jù)符合報(bào)文格式后再進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)解析完畢后存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)。

圖10 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端工作流程Fig.10 Server workflow of LoRa-based temperature monitoring system

3 結(jié)果與分析

為測試2種傳輸方式分別構(gòu)成的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)用性及可靠性，按照上述軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，獲取了如圖11和圖12所示的數(shù)據(jù)。

圖11 基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)Fig.11 Data of ZigBee-based temperature monitoring system

圖12 基于LoRa的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)Fig.12 Data of LoRa-based temperature monitoring system

在2種不同傳輸方式的測溫系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，利用萬用表等工具測出了測溫系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸距離、工作電流、發(fā)射電流以及功耗等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同傳輸方式下測溫系統(tǒng)的工作參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2種傳輸方式下的測溫系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路溫度的精確采集，及時(shí)向后傳輸，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)的保存。而從性能角度來說，ZigBee傳輸方式下的測溫系統(tǒng)傳輸距離較近,僅為LoRa傳輸方式的1/15，但是工作電流、發(fā)射電流等能耗較小，功耗也僅約為LoRa傳輸方式的1/8。

4 結(jié)束語

本文分別運(yùn)用目前應(yīng)用較多的2種傳輸方式——ZigBee和LoRa，設(shè)計(jì)了2套應(yīng)用于高壓輸電線路監(jiān)測的溫度傳感器系統(tǒng)。系統(tǒng)在硬件和軟件的協(xié)調(diào)配合下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓線路溫度的精確采集、上傳和存儲(chǔ)，系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)[17]等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)2種傳輸方式的工作性能做了對(duì)比，為批量化的生產(chǎn)應(yīng)用提供了一定參考。但此系統(tǒng)中缺少客戶端的設(shè)計(jì)，還沒有將數(shù)據(jù)更直觀地呈現(xiàn)出來，這一方面還有待進(jìn)一步完善。