CN108986438A - 一种基于LoRa的岸桥数据无线监测*** - Google Patents

Abstract

本发明披露一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***，包括：终端传感***、传感器网关、网络服务器、中央监控平台。近几年物流行业发展迅猛，配套设施的建设也逐渐全面，对于港口、码头的大型结构设备要求在不断提高。一套完善的监测***对于整个港口的安全性不言而喻。针对港口工作现场的特殊性，提出了一种基于LoRa的无线监测***来对岸边集装箱起重机进行数据采集。该***以LoRa射频模块为核心，采用星形组网方式实现数据交互。详细阐述其网络架构机制、工作模式等概况，结合港口机械结构的特点改进现有数据传输方法。将LoRa这种新兴的通讯网络应用于海洋港口邻域，充分发挥其传输距离远、功耗低等优势，实现岸桥工作实时监测、数据传输、智能管理及控制，保障大型设备的可靠稳定运行。

Description

一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***

技术领域

本发明涉及低功耗广域网通信领域，具体涉及一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***。

背景技术

随着物流行业的高速发展，对港口起重设备的要求也相应增加。港口起重机是一种工作条件十分繁重的重型机械设备，其载荷复杂多变，动态特性显著。作为集装箱港口最重要的装卸设备，岸桥能否正常作业直接影响到港口的生产效率和经济性。通过在岸桥关键部位安装传感器对岸桥进行监测，提高港口设备管理水平是大势所趋。目前，现有的传感器都是通过电缆和主机进行连接，这种传统的有线通信方式不论是安装成本还是后期维护，在港口这种复杂的露天环境下都有所欠缺。

现有无线通讯方式有广域网连接和局域网连接两种。广域网连接更多是借助电信运营商提供的蜂窝网络，像GPRS、3G、4G等。局域网连接方式主要为WiFi、蓝牙、ZigBee等。但是它们的特点非常明显，蓝牙和ZigBee功耗低但传输距离短；蜂窝网络的传输距离远但功耗非常高。自从出现了LPAWAN(Lower Power Wide Area Network，低功耗广域网)技术，便弥补了互联网网络层这一短板，很大程度上兼顾了低功耗和传输距离远的问题。作为LPWAN技术中的一种——LoRa（Long Range，远程），是一种新型无线通信技术，利用了先进的扩频调制技术和编解码方案，增加了链路预算和更好的抗干扰性能，对深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性。并且具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。本发明将结合LoRa无线通信技术和GPRS通信技术应用到岸桥数据监测***中，实现更加安全、高效的设备监控，为港口生产提供有力保障。

发明内容

为解决现有岸桥监测技术所存在的一些问题，现发明一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***，其包括：终端传感***、传感器网关、网络服务器、中央监控平台；

终端传感***分布在岸桥各个主要受力节点处，由超低功耗型单片机作为控制器，是一种分布式智能集成传感器***，包括振动传感器、温度传感器、应变传感器、LoRa射频模块、控制器、电源模块、存储器、RS-485接口和RS-232接口，终端传感***通过每个节点的振动传感器、应变传感器和温度传感器来采集岸桥结构的振动、应变、温度信号，再通过RS-485接口由控制器存入存储器中。LoRa射频模块通过控制器调用存储器中的数据进行发送，将信号发送至传感器网关，其中多个LoRa射频模块采用星形组网进行多对一通讯；

传感器网关同样由单片机作为控制器，与其相连的有LoRa射频模块、RS-232接口、电源模块、存储器、GPRS模块和USB接口；信号经由LoRa射频模块接收，通过控制器存入存储器中，再由GPRS模块进行延迟发送，RS-232接口和USB接口作为数据导出的备用接口；

控制器是超低功耗型单片机，其在125℃情况下，闪存内低功耗运行时不高于28μA，待机时功耗不高于1.35μA；

LoRa射频模块，其通信频率在433MHz和740MHz两个频段，最小通信距离为3KM，发射长度和接收长度均为单个数据包256B;

网络服务器对采集到的岸桥数据进行存储，为中央监控平台提供数；

中央监控平台包括显示界面，显示界面可以将终端节点传感器采集到的数据呈现在显示器上，以便企业能够实时监测岸桥的状态数据，并且可以在危险工况下提供报警，有效提高港口安全生产管理水平；

传感器网关，其负责接收终端节点的上行链路数据，然后将数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发；

传感器网关和网络服务器，其将多路数据处理打包合并为一路，通过GPRS网络发送至网络服务器。

终端传感***，在其传感器外部设有复位按钮，以便终端节点随时恢复初始设置。

一种基于LoRa的岸桥数据无线传输方法，使用上述基于LoRa的岸桥数据无线监测***，包括以下步骤 ：

步骤一：终端传感***的控制器处于待机状态，收到传感器网关的指令后开始通过振动传感器、应变传感器和温度传感器采集数据；

步骤二：传感器的采样频率实现设定好，当传感器采集达到一定时间段的数据后，通过控制器将数据存入存储器中备用；

步骤三：由控制器调用存储器中的数据，通过LoRa射频模块将数据打包发送至传感器网关；

步骤四：当传感器网关中的LoRa射频模块收到数据包后，发送应答指令给终端传感***，终端传感***收到应答指令随后待机；若终端传感***没有收到应答指令，则延时后再次向传感器网关发送数据包。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将LoRa的无线通信技术应用在岸桥状态监测中具有成本造价低廉的优势，另外无线的安装相对于有线安装，设备维护方便、故障诊断简单、节约了升级配线的成本。

2、LoRa通信可容纳多节点的特点，切合当代港口码头大力发展、机械设备增加的趋势，容量足够大可以完全满足企业需求。其分布式智能的集成无线传感器***能够独立于操作者实现对工业过程的控制，易用性强。

3、港口空旷广阔的地面环境，遮挡物少，能够将原本就具有较长传输距离的LoRa无线通信技术利用到极致，充分发挥其自身优势。

4、LoRa通信技术低功耗、传输速率低的特点导致应用场合有限，本发明通过在终端传感器上加存储器延时发送的方式有效解决，对于实时性要求不高的监测场合具有指导意义。

5、将LoRa通信分布式节点的特点应用于传感器，采用星型结构的组网方式，任何一个终端节点传感器出故障都不会影响整个监测***正常运行，工作可靠性高。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明网络结构示意图；

图2是本发明终端传感***示意图；

图3是本发明终端传感***流程图；

图4是本发明传感器网关示意图；

图5是本发明传感器网关流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明涉及一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***，通过对已经投入生产工作的大型岸桥设备进行实时监测，来保障其在一定强度负荷工况下的安全生产作业。

本发明为一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***，其包括以下几个部分：终端传感***、传感器网关、网络服务器、中央监控平台；网络结构示意图参见图1。

所述终端传感***固定在岸桥结构各个主要受力节点处，首先，通过对岸桥一般易于疲劳破坏的节点、应力集中的节点和工作时受载荷较大的节点进行判定，确定需要布置传感器的位置，这样可以对岸桥绝大部分可能遭遇破坏的位置进行监控。终端传感***示意图如图2所示，有以下几个主要部分，包括振动传感器、温度传感器、应变式传感器、LoRa射频模块和控制器、RS-485接口、RS-232接口、电源模块和存储器；所述传感器用来采集岸桥结构的振动、应变、温度信息，再通过RS-485接口经由控制器将信号数据存入存储器中；当需要发送信号时，由控制器调用存储器中的数据，再通过LoRa射频模块将数据发送至传感器网关，由传感器网关中的LoRa射频模块来接收数据，其中RS-232接口作为数据导出的备用接口。并且，由于岸桥结构中有多个测点都布置有传感器，所以采用星型组网的方式构建LoRa射频模块之间的通信。

当选定好测点位置后，终端传感***运行程序。采用待机-唤醒-待机的循环工作模式来降低功耗。唤醒后传感器采集岸桥结构数据，达到预定时间值后存入存储器，再通过LoRa无线射频模块上传数据至传感器网关，否则继续待机至下次唤醒。另外，考虑到LoRa通信的特点就是低功耗低传输速率，所以***将采集到的数据经存储后，再进行延时发送，适用于对实时性要求不高并且数据量大的场合。

一种基于LoRa的岸桥数据无线传输方法，使用上述基于LoRa的岸桥数据无线监测***，其方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤一：终端传感***的控制器处于待机状态，收到传感器网关的指令后开始通过振动传感器、应变传感器和温度传感器采集数据；

步骤二：传感器的采样频率实现设定好，当传感器采集达到一定时间段的数据后，通过控制器将数据存入存储器中备用；

步骤三：由控制器调用存储器中的数据，通过LoRa射频模块将数据打包发送至传感器网关；

步骤四：当传感器网关中的LoRa射频模块收到数据包后，发送应答指令给终端传感***，终端传感***收到应答指令随后待机；若终端传感***没有收到应答指令，则延时后再次向传感器网关发送数据包。

传感器网关包括LoRa射频模块、GPRS通讯模块、控制器、电源模块、存储器、RS-232接口和USB接口；其中LoRa射频模块与上述终端传感***中的多个LoRa射频模块进行配对通讯，接收数据信息，整合处理后再通过GPRS网络上传至网络服务器，传感器网关示意图如图4所示。

所述终端传感***和传感器网关中的LoRa无线射频模块需要事先进行配对，采用多对一的星型连接组网方式，在其中某一个终端节点传感器发生故障时，不会影响***其他部分正常运行，有效提高稳定性。

传感器网关流程图如图5所示，其也是在待机和工作模式之间切换，在确认通过LoRa无线射频模块收到的数据为完整时则向下行终端发送应答指令；若收到的数据包有损坏则将它丢弃。再通过GPRS网络将有效岸桥数据传输至网络服务器，以此循环。

所述网络服务器主要用来对采集到的岸桥数据信息进行存储和管理，对网络资源进行分配管理和为中央监控平台提供数据服务；网络服务器接收传感器网关的数据信息，再通过局域网发送至中央监控平台。

所述中央监控平台包括显示***，显示***可以将终端节点传感器采集到的数据呈现在显示器上，以便企业能够实时监测岸桥的状态数据，并且可以在危险工况下提供报警，有效提高港口安全生产管理水平。

物流行业，港口集装箱起重机是不可或缺的重要设备，对于它工作状态监测***的必要性无需多言。本发明摒弃了传统有线传感器的不足之处，提出了利用以LoRa为核心的无线通信技术在岸桥数据监测***上的应用。充分发挥了LoRa通信的长距离、低功耗、抗干扰性强等优点，并且用数据预存储再延迟发送的方法避免了其传输速率低的不便之处，同时也降成本控制在一个比较低的范围内。在未来，一体化、数字化、网络化和智能化是企业利用科技提高安全生产管理水平的具体方向。

Claims (3)

1.一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***，其特征在于，包括：终端传感***、传感器网关、网络服务器、中央监控平台；

所述终端传感***布置在岸桥各个主要受力节点处，由超低功耗型单片机作为控制器，与其相连的有RS-485接口、电源模块、存储器、RS-232接口和LoRa射频模块，所述RS-485接口的另一端与振动传感器、应变传感器和温度传感器相连；所述终端传感***通过振动传感器、应变传感器和温度传感器测得岸桥的信号，再通过RS-485接口由控制器存入存储器中；LoRa射频模块是通过控制器调用存储器中的数据进行发送；多个LoRa射频模块采用星形组网进行多对一通讯；

所述传感器网关由另一单片机作为控制器，与其相连的有LoRa射频模块、RS-232接口、电源模块、存储器、GPRS模块和USB接口；信号经由LoRa射频模块接收，通过控制器存入存储器中，再由GPRS模块进行延迟发送，RS-232接口和USB接口作为数据导出的备用接口；

所述控制器是超低功耗型单片机，其在闪存内低功耗运行时不高于28μA，待机时功耗不高于1.35μA；

所述LoRa射频模块，其通信频率在433MHz和740MHz两个频段，最小通信距离为3KM，发射长度和接收长度均为单个数据包256B;

所述网络服务器对采集到的岸桥数据进行存储，为中央监控平台提供数据；

所述中央监控平台包括显示界面，所述显示界面可以将终端节点传感器采集到的数据呈现在显示器上，以便企业能够实时监测岸桥的状态数据，并且可以在危险工况下提供报警，有效提高港口安全生产管理水平；

所述传感器网关，负责接收终端节点的上行链路数据，然后将数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发；

所述传感器网关和网络服务器，将多路数据处理打包合并为一路，通过GPRS网络发送至网络服务器。

2.根据权利要求1所述一种基于LoRa的岸桥数据无线监测***，其特征在于，终端传感***在其传感器外部设有复位按钮，以便终端节点随时恢复初始设置。

3.一种基于LoRa的岸桥数据无线传输方法，使用如权利要求1所述基于LoRa的岸桥数据无线监测***，其特征在于所述方法包括以下步骤 ：

步骤一：终端传感***的控制器处于待机状态，收到传感器网关的指令后开始通过振动传感器、应变传感器和温度传感器采集数据；

步骤二：传感器的采样频率实现设定好，当传感器采集达到一定时间段的数据后，通过控制器将数据存入存储器中备用；

步骤三：由控制器调用存储器中的数据，通过LoRa射频模块将数据打包发送至传感器网关；

步骤四：当传感器网关中的LoRa射频模块收到数据包后，发送应答指令给终端传感***，终端传感***收到应答指令随后待机；若终端传感***没有收到应答指令，则延时后再次向传感器网关发送数据包。