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 2 应答帧的通信格式地址码功能码有效字节数第一数据区第二数据区第三数据区CRC1 字节1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节2 字节Signal Process&System 信号与系统传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 334373.1.4 硬件连接实物图如图 4 所示，将上述硬件依照图 1 所述方案连接。如图 4（a）所示，监测终端的 RS485型温湿度 CO2一体式传感器通过 RS485 信号线与 LoRa 数传电台（从机）相连接；如图 4（b）所示，串口服务器通过 RS485 信号线与 LoRa数传电台（主机）相连接，通过双绞线与上位机 RJ45 端口连接。3.2 实验软件配置在实验环境中，不同点位设置监测终端，从传感器 01（地址位“01”）开始依次编号。软件发送和接收设置如图 5 所示：在输入服务器的 IP 地址和端口号与服务端建立连接后，设置每隔 1 分钟以十六进制自动发送一次问询帧指令；接收区则设置十六进制显示、换行显示和时间显示，并将接收到的数据保存到指定路径的 txt 文件中，另设置 300 ms 的接收延时以确保接收到完整和准确的数据。3.3 数据采集实验中进行数据采集时，除显示和保存每个传感器的采集数据外，软件中绘图界面会依照采集时间为 x 轴，采集数据为 y 轴，实时绘制折线图。如图 6（a）所示，在自动发送采集指令期间，数据显示界面展示最近一次采集中各传感器的温度、湿度和 CO2浓度数据；如图 6（b）所示，绘图界面中，将采集数据实时绘制为对应的折线图。根据实验结果分析，监测终端分散式排布于实验环境内各采集点，采集时间间隔精确，能实时、准确地进行数据采集和处理，无线通信没有出现误码现象。因此，方案取得了良好的效果。4 结束语为实现对多点多参数的实时监测，设计了分散式多参数无线监测方案，完成了数据采集、无线通信和上位机软件等软硬件的设计开发。以曲房温湿度和CO2浓度为监测对象的实验结果表明，方案能够满足无线监测的需求，具有成本低、布线方便、自动化程度高的优点，具有积极的发展和应用前景。参考文献1 许东辉,郭秀娟.基于 ZigBee 的室内温湿度与烟雾信号监测系统 J.安徽电气工程职业技术学院学报,2022,27(3):108-113.2 倪康,徐晓光,崔晶.基于 C#和 ZigBee 的大棚温湿度监测系统设计 J.洛阳师范学院学报,2015,34(2):41-44.3 邹文虎.基于物联网的环境监测系统设计研究 J.科学技术创新,2022(35):116-122.LoRa数传电台（从机）上位机串口服务器LoRa数传电台（主机）RS485型温湿度CO2一体式传感器信号与系统 Signal Process&System传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 334384 邵彦锟,夏浩然,曹博宇,等.基于 JavaScript 的温湿度监测系统设计与开发 C/中国计算机用户协会网络应用分会2022 年第二十六届网络新技术与应用年会论文集,2022:259-263.5 修昭远.无线工业物联网协议互通研究与实践 D.北方工业大学,2020.6 唐铭轩.LoRa 技术原理及关键参数研究 J.网络安全技术与应用,2021(11):73-74.7 龚天平.LoRa 技术实现远距离、低功耗无线数据传输 J.电子世界,2016(10):115,117.8 邹传智.基于多串口转以太网的数据采集及分析系统设计D.东华大学,2017.9 蒋达.基于 Socket 的网络接口编程 J.办公自动化,2018,23(23):29-30,32.10 师永林.一种基于 TCP/IP 协议的通信数据传输方式 J.网络安全技术与应用,2021(11):2-3.11 孙丽,孙顺远.曲房低功耗无线温湿度检测系统设计与应用 J.测控技术,2017,36(5):29-32.12 李修荣,高瑜翔,罗爱民.酒曲房温湿度检测系统 J.测控技术,2014,33(11):50-52,56.13 杨卫平.CRC 计算实现方法 J.电子技术与软件工程,2018(9):158-159.作者简介姜芃宇：四川大学机械学院，硕士研究生，研究方向为精密测量与智能控制。通信地址：四川省成都市武侯区一环路南一段 24 号四川大学望江校区邮编：610065 邮箱：黄劼：四川大学机械工程学院，教授，硕士生导师，主要研究方向为机器视觉、精密测量技术与仪器、集散控制系统。刘勇：泸州智通自动化设备有限公司，博士，主要研究方向为智能控制系统。（上接第 27 页）参考文献1 杨铮,徐京傲,YAO Lina.室内定位:挑战与机遇 J.西北大学学报(自然科学版),2018,48(2):172-182.2 杜镇枭.基于载波相位的高精度超高频 RFID 定位技术研究 D.电子科技大学,2022.3 佟翔宇.基于聚类分析的 BLE 室内指纹定位算法研究 D.哈尔滨工业大学,2020.4 邓诗凡,蒋伟,杨俊杰,等.蓝牙到达角室内定位抗干扰优化研究 J.导航定位学报,2022,10(6):75-80.5 杨帆.基于可见光通信的室内定位研究D.西北工业大学,2019.6 李金奎,冯晋,陈剑桥.一种无线网络时钟同步法的超声波室内定位系统设计 J.现代雷达,2022,44(3):76-80.7 齐小刚,陈谌,李芷楠.室内定位中非视距的识别和抑制算法研究综述 J.控制与决策,2022,37(8):1921-1933.8 NJIMA W,AHRIZ I,ZAYANI R,et al.Smart probabilistic approach with RSSI fingerprinting for indoor localizationC/2017 25th International Conference on Software,Telecommunications and Computer Networks(SoftCOM).IEEE,2017:1-6.9 WU T,XIA H,LIU S,et al.Probability-based indoor positioning algorithm using ibeaconsJ.Sensors,2019,19(23):5226.10 ALFAKIH M,KECHE M,BENOUDNINE H,et al.Improved Gaussian mixture modeling for accurate Wi-Fi based indoor localization systemsJ.Physical Communication,2020,43:101218.11 RAZAVI A,VALKAMA M,LOHAN E S.K-means fingerprint clustering for low-complexity floor estimation in indoor mobile localizationC/2015 IEEE Globecom Workshops(GC Wkshps).IEEE,2015:1-7.12 张静.基于改进 K-means 聚类和 WKNN 算法的 WiFi 室内定位方法研究 D.内蒙古大学,2022.13 MENDOZA-SILVA G M,RICHTER P,TORRES-SOSPEDRA J,et al.Long-term WiFi fingerprinting dataset for research on robust indoor positioningJ.Data,2018,3(1):3.作者简介王凯：北京信息科技大学，硕士研究生，研究方向为室内定位算法。通信地址：北京市北四环中路北京信息科技大学健翔桥校区邮编：100192 邮箱：崔英花（通讯作者）：北京信息科技大学，博士，教授，研究方向为射频识别技术、室内定位技术、卫星通信技术、深度学习。