基于LoRa的阀位开度无线传输系统研究

基于LoRa的阀位开度无线传输系统研究

Summary：针对现有输油、输气场站中手动阀门的状态监测需要在工艺区挖沟布线，前期施工成本大后期维护成本高的且只能采集阀门的开、关状态不能准确反应当前阀门开度等问题，设计了一种基于LoRa的阀位开度无线传输系统。该系统主要有含高精度非接触式阀位开度传感器的LoRa阀位监测发送器和LoRa数据接收网关组成。LoRa阀位监测发送器采集阀位开度传感器的阀位开度信息并采用LoRa低功耗无线传输技术将数据传递给LoRa数据接收网关。LoRa数据接收网关可以连接50个LoRa阀位监测发送器，其它设备可通过串口或者网络口与LoRa数据接收网关通讯获取到相关阀位数据。Keys：LoRa；1引言在石油、天然气长输管道场站中各个手动阀门的状态是日常生产中重要的监测内容。现有的监测方式有的是采用有线监测既将阀门上阀头的开关量信号通过导线接入站控室PLC等设备。这种方式在施工时需要在工艺区挖沟布线，需要监测的阀门越多挖沟布线的工程量也就也大，因此监测成本及难度也相应较大，后期维修成本及难度也较大。由于是在工艺区作业也存在一定的施工风险。还有的监测方式干脆就是人工巡检，定时查看各个阀门当前的状态，存在信息反馈不及时、漏检等问题。因此在场站中建立一套阀位开度无线传输系统十分有必要。相对于有线数据传输方式，无线数据传输方式更适合场站工艺区这种较复杂的环境。无线传输技术主要有ZigBee、蓝牙、WiFi等，但这些技术传输距离近，不适合场站阀位监测使用。因为场站阀门所在位置距站控室较远，需要1~3公里的传输距离。为此，本文采用LoRa无线数据传输方式，设计了一种可应用于场站阀位开度监测的数据无线传输系统。Lora（LongRange，超长距低功耗数据传输技术），采用星型拓扑结构的自组网方式，是一种基于扩频调制技术的低功耗长距离无线通信技术。LoRa信号覆盖面积广、信号穿透力强，支持大数据链路预算，可实现的通信范围为1～20km；功耗低。可根据距离进行数据速率的自适应调整，在保证数据传输的情况下提升数据传输速率与可靠性。基于以上特点，LoRa技术非常适于场站阀位监测这类较长距离、环境复杂、对功耗控制要求高的场景。2阀位开度无线传输系统的总体设计2.1阀位开度无线传输系统的组成阀位开度无线传输系统由含高精度非接触式阀位开度传感器的LoRa阀位监测发送器和LoRa数据接收网关组成。LoRa阀位监测发送器安装于手动阀门的涡轮蜗杆上，实时采集阀门开度信息。LoRa数据接收网关安装在控制中心机房，接收各个LoRa阀位监测发送器上报的数据，存储后将数据转发到第三方监测系统(如站控系统)或者其它设备（如PLC/RTU）。一台LoRa数据接收网关最大可支持接收50台LoRa阀位监测发送器的数据。2.2LoRa阀位监测发送器组成部分简介2.2.1高精度非接触式阀位开度传感器高精度非接触式阀位开度传感器采用绝对值编码器进行阀位旋转角度测量,通过RS485数据通信接口输出阀位开度位置数据，可以解决阀位数字化采集问题，将手动阀阀位状态以0~359度的数字量进行表述。可以精确的指示当前的阀门状态。传感器为非接触式磁电传感器，相比光电编码器而言更耐振动、冲击，更耐水气油污温湿度变化。传感器无需电池支持，且抗干扰能力强，永不磨损，位置信息不会出错，掉电后能保持原有位置信息。传感器具备10万小时无故障的高可靠性。传感器分辨率为15位；线性精度为0.01度。传感器采用隔爆设计，非常适用于油气化工场站等防爆要求场合。2.2.2阀位监测发送器控制板阀位监测发送器控制板以STM32F103C8T6为核心，主要有供电模块、LoRa传输模块、cpu模块、RS485通讯模块组成。是一款具备采集高精度非接触式阀位开度传感器反馈的阀位位置信息并能将其转换成相应的开度及开、关、中间态阀位状态信息的监测设备，同时具备监测自身供电电压、4路DI采集、4路AI采集、2路DO输出控制功能。采用RS485方式与高精度非接触式阀位开度传感器通讯并以LoRa方式上报数据至LoRa网关。阀位监测发送器控制板放置于隔爆外壳中，实现整体隔爆。适用于防爆要求场合。2.2.3隔爆外壳LoRa阀位监测发送器需要安装在油气场站工艺区内，此区域为防爆区域，因此就需要将阀位监测发送器控制板和高精度非接触式阀位开度传感器先安装在隔爆外壳中，然后再将此外壳安装在监测阀门上，实现整体隔爆。隔爆外壳符合EXDIICT6的标准，具备国家相关认证。防护等级:IP67、环境温度-20℃~80℃；压铸铝合金壳体。2.3LoRa数据接收网关LoRa数据接收网关是现场数据的汇聚中心，它具备接收各个LoRa阀位监测发送器数据功能、数据存储功能（每个点最后一包数据）及数据转发功能（ModbusRTU/TCP）。用户可用RTU/PLC、电脑等设备通过串口、网口采用相应通讯协议获得相关的现场数据；LoRa数据接收网关采用Cortex-M3系列32位处理器STM32F103VCT6，配以UCOS-II操作系统提供出色的多线程任务处理能力。LoRa数据接收网关具有一路RS232通讯口和一路RS485通讯口，支持标准ModbusRTU通讯协议。一路RJ4510/100M自适应网口，支持ModbusTCP协议。单台LoRa数据接收网关最大可与50台阀位监测发送器进行组网。3阀位开度无线传输系统工作流程LoRa数据接收网关工作流程如图1所示。图1

LoRa数据接收网关工作流程图4LoRa数据接收网关与站控设备通讯LoRa数据接收网关与站控设备之间的数据通讯是通过标准ModbusRTU/TCP协议来实现的LoRa数据接收网关在工作前需要将接收的所有发送器设备ID全部登记，最大可登记50个ID。LoRa数据接收网关接收到LoRa传输数据帧后，按照发送器设备ID号将各个数据值存储到对应ID的存储区中。并将其映射到标准ModbusRTU/TCP协议的寄存器中。DI、DO数据映射到1001开始的1000寄存器中，采用0x01命令读取。电池电压、AI1采样值、AI2采样值、AI3采样值、AI4采样值、阀位状态映射到3001开始的3000寄存器中，采用0x03命令读取。当前开度、开到位度数、关到位度数映射到7001开始的7000寄存器中，采用0x03命令读取。站控机或者PLC等设备用标准的ModbusRTU/TCP协议对需要关注的数据进行读取。如图2所示。图2LoRa数据接收网关数据转发示意图5结束语本文提出了一种基于LoRa的阀位开度无线传输系统，主要介绍了系统的组成部分和工作原理。该系统具备实时监测阀位状态功能，不但能将手动阀位状态转换为精确开度数字量，还能免去挖沟布线等繁重的施工过程采用无线数据传输方式将数据接入场站站控系统。对场站的日常生产管理可起到很好的辅助作用。Reference[1]赵捷.基于物联网的油气集输数据采集及能耗监测系统研究与应用[C].