分散式多参数无线监测设计与实现.pdf

信号与系统 Signal Process&System传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33434注：（川大-泸州）科技创新研发项目（No.2021CDLZ-5）摘要：传统多点多参数的数据采集以人工测量为主，存在成本高，工作量大，难以实时采集等问题。针对以上问题，提出一种分散式多参数无线监测方案。方案采用传感器和 LoRa 数传电台为监测终端网络，采用 C#开发上位机软件，上位机通过 TCP/IP 协议代替串口与 LoRa 数传电台通信，监测终端网络，与上位机通过 LoRa 数传电台实现无线通信。以温度、湿度及 CO2浓度的采集为例，设计实验以验证方案可行性。实验结果表明，系统运行正常，该方案能够实现对上述参数的自动采集、实时监测和可视化。关键词：分散式；多参数；LoRa；TCP/IP；实时采集中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：1006-883X(2023)04-0034-05收稿日期：2023-03-17 DOI:10.16204/j.sw.issn.1006-883X.2023.04.006Design and Implementation of Distributed Multi-Parameter Wireless Monitoring SchemeJIANG Pengyu1,HUANG Jie1*,LIU Yong2(1.School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.Luzhou Zhitong Automation Equipment Co.,Ltd.,Luzhou 646000,China)Abstract:The traditional multi-point and multi-parameter data collection relies on manual measurement mainly,which has problems such as high cost,large workload,and difficulty in real-time collection.A decentralized multi-parameter wireless monitoring scheme is proposed to address the above issues.The scheme uses sensors and LoRa data transmission radio as the monitoring terminal network,and uses C#to develop the upper computer software.The upper computer communicates with LoRa data transmission radio through TCP/IP protocol instead of serial port.The monitoring terminal network and the upper computer realize wireless communication through LoRa data transmission radio.Taking the collection of temperature,humidity and CO2 concentration as an example,experiments are designed to verify the feasibility of the scheme.The experimental results show that the system operates normally,and the scheme can realize automatic collection,real-time monitoring and visualization of the above parameters.Key words:distributed;multi-parameter;LoRa;TCP/IP;real-time collection分散式多参数无线监测设计与实现姜芃宇1 黄劼1*刘勇2 1.四川大学机械工程学院，四川成都 610065；2.泸州智通自动化设备有限公司，四川泸州 6460000 前言多点多参数的数据采集广泛应用于各个场景。传统的采集以人工和有线的方式为主。人工采集的工作量大，且准确度高度依赖于采集者的经验；有线采集则存在硬件布线困难、抗干扰能力差以及成本高等问题1。目前已有相关研究提出多种无线监测方案以代替传统方案。文献 2 提出一种基于 C#和ZigBee 的大棚温湿度监测方案，将各终端节点的数据无线传输至主节点，再通过串口传送至上位机；文献3提出一种物联网环境监测方案，应用 NB-IoT 技术将数据上传至云管理平台；文献 4 设计了基于 JavaScript语言开发的温湿度监测系统，通过 SNMP 协议进行无线通信。以上技术实现了针对各种环境参数的无线监测，但是也存在着串口通信不能接入网络，物联网协议与传统协议兼容困难，以及通信协议存在安全隐患等问题。基于以上问题，提出一种适用于多种场景的分散式多参数无线监测方案。采用传感器和无线数传电台组成监测终端，多组监测终端根据实际需求灵活组合为监测终端网络，通过远距离无线电（Long Range Signal Process&System 信号与系统传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33435Radio，LoRa）实现终端和上位机双向无线通信。采用C#开发上位机软件，使用 TCP/IP 协议代替串口通信，目的是在增加传输距离、布线方便的同时，直接接入以太网，避免物联网协议的兼容性问题5，保证系统安全运行。软件具有下达指令、处理数据、数据可视化以及保存数据等功能，通过在上位机操作软件，不需要进入现场也能完成数据采集和实时监测。1 方案总体设计方案总体设计如图 1 所示，主要包括监测终端网络和上位机 2 部分，通过 LoRa 无线传输实现 2 部分之间的无线通信。LoRa 使不同扩频序列的终端以相同的频率同时发送信息也能避免互相干扰，传输速率略低，但满足了长距离和低功耗兼得的需求6。LoRa 打破了传统物联网领域中“互联”的瓶颈7，因此，方案选择了以 LoRa 为基础的无线通信方式。监测终端网络由传感器和 LoRa 数传电台（从机）组成。每一个传感器与一部电台连接成一组终端，其数量和排布方式由具体需求决定。上位机部分包括上位机、串口服务器和 LoRa 数传电台（主机）。串口服务器通过串口连接电台，通过RJ45端口连接上位机，负责通信协议与 TCP/IP 协议的双向转换并输出转换后的信号。电台主机将服务器传来的上位机指令广播给所有从机，再将从机发来的应答信号上传，实现全双工通信。方案中，传感器、电台和串口服务器需要采用相同的串口和通信协议。2 方案软件设计2.1 TCP/IP 协议与套接字（Socket）RS232、RS485 等异步串口因其安全性、可靠性和相对简单的通信协议而广泛应用于工业领域，但存在结构复杂，无法接入局域网，传输距离有限等不足8。为了弥补其不足，可以通过 TCP/IP 协议，用以太网代替串口进行通信。客户端一旦通过 TCP/IP 协议建立起与服务端的联系，除非一端主动结束联系，否则将一直保持联系状态，因此可以认为这是可靠的即时通信。套接字（Socket）是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元，其本质是一个应用程序与网络协议栈的交互接口，通过这个接口才能使用 TCP/IP 协议9。以上位机为客户端，串口服务器为服务端，串口服务器内置相关应用程序。客户端和服务端的连接方式如图 2 所示。首先，客户端和服务端各采用 Socket()函数创建一个网络服务项，服务端调用 Bind()函数绑定 IP 地址和端口号，调用 Listen()函数建立对客户端的实时监听；客户端了解服务端 IP 地址和端口号后，调用 Connect()函数发送连接请求，服务端监听到请求后调用 Accept()函数接受并建立网络连接。此时双方数据可以通过 Write()和 Read()实现数据双向交换。待网络服务结束使用后，客户端调用 Close()函数关闭网络服务项，结束与服务端的连接。服务端也随之调用传感器01传感器02传感器03传感器nnLoRa数传电台（从机）LoRa数传电台（从机）LoRa数传电台（从机）LoRa数传电台（从机）LoRa数传电台（主机）LoRa无线传输串口服务器上位机TCP/IP监测终端网络上位机 信号与系统 Signal Process&System传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33436Close()函数关闭网络服务项10。2.2 软件工作流程设计上位机软件使用 C#编程语言，开发环境采用 Visual Studio 2019，基于目标框架.NET Framework 4开发。软件基本流程如图 3 所示：初始化界面；连接服务端直至成功建立通信；逐行输入指令并发送；接收各个传感器的应答数据；处理数据并保存到指定文件中，以备后续相关工作。3 实验及分析以酿酒厂生产酒曲的曲房环境为例，酒曲发酵时，曲房内的温度、湿度和 CO2浓度都会对其质量产生直接影响11。传统生产时，曲房的监测主要依靠人工操作，存在工作环境恶劣、效率低、数据不准确等影响数据采集的问题12。因此，设计了采集温度、湿度和 CO2浓度数据的实验，以验证方案的效果。3.1 实验硬件配置3.1.1 传感器实验选择 RS485 型温湿度 CO2一体式传感器，采用 RS485 信号线和 Modbus RTU 通信协议，自带 16 位冗余循环校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）。CRC 是在 K 位信息码后再拼接 R 位的校验码，整个编码长度为 N 位，又被称为（N,K）码，是一类重要的线性分组码。CRC 有简单的编码和解码逻辑，较强的检错和纠错能力，在通信领域广泛用于差错控制13。以温湿度 CO2一体传感器（485 型）为例，上位机发送的问询帧格式如表 1 所示。地址码为传感器的地址位，实验中每一个传感器都拥有唯一的地址位（0 x01-0 xFF，共 255 个地址位），每一个地址位对应一个唯一的 CRC。应答帧的通信格式如表 2 所示。应答帧的第一、第二、第三数据区分别对应湿度、温度、CO2浓度的监测数据（以十六进制表示）。上位机发来的问询帧指令通过电台主机广播至每一个传感器，但是只有和问询帧的地址码及CRC 匹配的传感器才回复应答帧至上位机，实现准确、高效的通信。3.1.2 LoRa 数传电台实验选择的 LoRa 数传电台同样采用 RS485 串口和 Modbus RTU 通信协议，电台和传感器设置为相同波特率，再将传感器和串口服务器分别与从机和主机连接，即可实现无线通信。3.1.3 串口服务器串口服务器 RS485 串口连接电台主机，RJ45 端口连接上位机，实现 Modbus RTU 协议和 TCP/IP 协议之间的自动转换并输出转换后的信号。上位机只需了解服务器 IP 地址和端口号，即可建立与电台主机的以太网通信。Socket()TCP客户端Connect()Write()/Read()Close()Socket()TCP服务端Write()/Read()数据交换关闭连接Close()Accept()建立连接等待客户端连接Listen()Bind()开始初始化界面连接到服务端逐行输入指令并发送接收应答数据NY处理并保存数据以待后续处理结束表 1 问询帧的通信格式地址码功能码寄存器起始地址寄存器长度CRC 低位CRC 高位1 字节1 字节2 字节2 字节1 字节1 字节表