CN110266796A - 一种基于lpwan的纺织车间监测*** - Google Patents

一种基于lpwan的纺织车间监测*** Download PDF

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张梅
胡雪雪
许桃
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Abstract

本发明公开了一种基于LPWAN的纺织车间监测***，该***主要由监测节点、汇聚节点和监测平台三个部分组成。监测节点主要包括控制芯片STM32F103C8T6、LoRa通信模块、温湿度传感器、红外收发电路、报警电路、电源模块、时钟电路和复位电路，实现对温湿度数据、纺线状态数据和工件计数数据的实时监测，并对异常状态报警。汇聚节点主要包括控制芯片STM32F103C8T6处理器、LoRa通信模块、NB‑IOT通信模块、电源模块、时钟电路和复位电路，通过LoRa网络与监测节点之间进行通信，实现监测节点数据的汇聚，并通过NB‑IOT网络将数据上传至监测平台。监测平台利用OneNet物联网云平台，搭建智能化软件监测平台，对纺织车间信息进行实时在线监测，并为用户提供交互界面，可实现监测节点的管理、数据的实时显示、数据查询及自动的短信提醒等功能。

Description

一种基于LPWAN的纺织车间监测***
技术领域
本发明涉及纺织车间监测领域，具体是一种基于LPWAN的纺织车间监测***。
背景技术
纺织业作为我国传统产业，具有悠久的发展历史，在国民经济中的占重要地位。而在纺织业生产过程中，存在着诸多影响纺织生产效率的因素，因此需要对纺织车间进行监控，以保证产品质量和环境安全。
国内外针对车间监测***从多种技术方面进行了尝试，基于ZigBee、RFID、大数据技术等方面均提出过可行有效的方案，发展到现在，已经发展出了多种具有代表性的研究成果。现阶段，我国纺织车间的信息化与智能化水平有限，对纺织车间监测依旧停留在小范围的、零散的、相互独立的层面上，其网络***多是有线方式，采集节点不能达到经济、便利、自由的安置，在信息查询上也不能实现远距离实时查询。
本***利用LoRa和NB-IoT无线通信技术相结合，构建了纺织车间监测的网络体系。这两种无线通信技术都是低功耗广域网技术(Low-PowerWide-Area Network,LPWAN)的典型代表，具有覆盖范围广、功耗低和成本低等特点，非常适合在纺织车间监测中应用。低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技术作为专为物联网应用而设计的无线通信技术，与传统的WiFi、ZigBee、蓝牙等无线通信技术相比，具有低功耗、低带宽、低成本、远距离、网络容量大等优点，适用于电池供电的远距离、小数据量发送的物联网设备。
LoRa技术是一种既可以远距离传输，距离可达到数千米，又可以低功耗，多节点的一种新型物联网无线电调制解调通信技术。其具有覆盖广、功耗低、容量大、抗扰特性强、数据传输更可靠、支持测距和定位等优点。
基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)是低功耗广域物联网(LPWAN)网络的一个重要分支，是实现万物互联网络的重要组成部分。NB-IoT以其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点为各种物联网***提供合适的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗、可靠性高、可远程实时查看的纺织车间监测***；该***利用先进低功耗控制芯片、高精度传感器以及先进的低功耗无线通信网络，可以解决目前纺织车间监测的网络构建不经济、不便利、不能远程访问的问题。本发明采用LoRa和NB-IoT相互结合的传输方法，既保持了数据的传输范围，同时也降低了成本。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
一种基于LPWAN的纺织车间监测***，主要由监测节点、汇聚节点和物联网监测平台组成。其中监测节点作为数据采集传输模块能，采集环境数据、工件计数数据并通过LoRa通信网络传输；汇聚节点主要实现监测节点数据的汇聚，并上传至物联网监测平台；物联网监测平台实现数据的接收，并为用户提供交互界面，可实现检测节点的管理、数据的实时显示、数据查询及自动的短信提醒等功能。
本发明所述的监测节点特征在于：主要包括控制芯片、温湿度传感器、工件计数传感器、纺线状态传感器、无线通信模块和电源模块。其中控制芯片采用STM32F103C8T6，具有模拟量处理、抗干扰能力强、低功耗等特点；温湿度传感器采用HTU21D，具有精度高、测量范围大、尺寸小、功耗低、性价比高的特点；工件计数和纺线状态传感器采用HS0038一体化红外接收头设计红外收发电路；无线通信模块采用SX1278，SX1278是Semtech公司推出的LoRa射频芯片，具有距离远、低功耗、低成本、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
本发明所述的汇聚节点特征在于：主要包括控制芯片、LoRa无线通信模块和NB-IOT无线通信模块和电源模块。其中控制芯片采用STM32F103C8T6，LoRa无线通信模块采用SX1278，NB-IOT无线通信模块采用NB101。
本发明所述的物联网监测平台特征在于：采用OneNet物联网平台，该平台适用于多种协议类型和各种网络环境。同时能够实现增加API和应用模板的种类，支持多种智能硬件的开发，提供大数据服务和快速接入各类传感器和智能硬件服务，做到物联网领域中设备连接、协议适配、数据保密、大数据分析等PaaS级目的，是一个功能强大数据存储中心。
本发明所述的无线通信模块特征在于：包括LoRa和NB-IoT两种LPWAN通信模块，多个监测节点的LoRa模块形成LoRa通信网络，上传至汇聚节点，再由NB-IoT通信模块将数据上传至物联网监测平台。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)安装方便
本发明的监测节点安装极为方便，只要将产品装上电池，然后贴在纺织车间墙上、窗户上、纺织机上即可。一定范围厂区布置一个汇聚节点，汇聚节点***SIM卡、插到电源插座上即可开始工作。
(2)组网方便
***采用LoRa和NB-IoT两种低功耗广域无线通信网技术，监测节点和汇聚节点开机后会自动组网，如果监测节点没有入网，则会周期性发送组网数据包，直到组网成功。
(3)使用方便
用户可远程登录物联网监测平台，实时查询纺织车间信息，报警信息除了在平台显示外，还采用短信方式发送，简单易用。
(4)功耗低可靠性强
监测节点和汇聚节点的主控芯片均采用抗干扰性强的低功耗微处理器STM32F103C8T6，其无线通信芯片也是低功耗模块。
附图说明
图1为：一种基于LPWAN的纺织车间监测***的总体结构图。
图2为：一种基于LPWAN的纺织车间监测***的监测节点组成框图。
图3为：一种基于LPWAN的纺织车间监测***的环境监测节点软件流程图。
图4为：一种基于LPWAN的纺织车间监测***的汇聚节点组成框图。
图5为：一种基于LPWAN的纺织车间监测***的汇聚节点软件流程图。
图6为：一种基于LPWAN的纺织车间监测***的物联网监测平台功能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明实现方案分三个部分：
(1)监测节点方案
本发明的监测节点众多，布置在纺织车间内，用来监测环境信息、纺线状态信息、工件计数等，由STM32F103C8T6主控芯片、HTU21D温湿度传感器、HS003 8红外收发电路、SX1278LoRa无线通信芯片和电源电路组成。产品设计外观可以多种多样，比如设计成圆帽型，外披铜帽作为LoRa无线通信模块的天线。监测环境的节点可直接贴在墙上或窗户上，监测纺线状态信息的节点直接贴在纺织机两侧，工件计数的节点安置在布匹计数的地方。监测节点采用9V方形电池供电，经电源电路降压至3.3V供给单片机工作。装入电池后监测节点自动开机，初始化完成后发送组网数据到汇聚节点，汇聚节点接收到监测节点的组网数据包后，下行汇聚节点设备地址和监测节点入网顺序编号到监测器，自动完成匹配组网流程。
(2)汇聚节点方案
本发明的汇聚节点，采用STM32F103C8T6控制芯片、SX1278LoRa无线通信模块和NB101NB-IOT无线通信模块和电源模块，实现LoRa和NB-IoT GSM相结合的网络体系。厂区一定范围内布置一个汇聚节点，汇聚节点由于要汇聚众多监测节点数据并上传，所以功耗较大，不采用电池供电，使用220v交流电网供电，利用电源模块把220V交流电变为3.3V直流稳压电。汇聚节点需要***NB-IOT专用SIM卡，开机初始化完成后自动搜网入网，通过LoRa无线通信模块接收监测节点发送的数据包，与监测节点间完成组网，接收监测节点传送的信息，并通过NB-IOT无线通信模块上传至物联网监测平台。
(3)物联网监测平台方案
物联网监测平台在***物联网开放平台One-Net上构建，将汇聚节点数据信息通过NB-IoT模块接入One-Net，实现组网远程监控，One-Net平台实现数据转发和存储，从而实现由监控端—云平台—监测节点组成的远程监控物联网架构。
整个数据上传过程包括以下几个步骤：
1)创建产品。在云平台上创建注册自己的产品，有了一个数据上传中心。
2)注册设备。一般都是指现场RTU接入的产品，但实际上数据是从自己本地的服务器上传过去的，相当于本地服务器上的数据上传程序充当虚拟产品，往云平台推送数据。
3)数据上传软件部分。选择了C++中的SOCKET通信，向云平台发送HTTP协议的数据上传报文。
物联网监测平台主要包括数据管理和人机交互界面两部分。数据管理单元主要是在云平台的数据库中完成数据存储、查询、删除、上传等。人机交互界面是在OneNet上自定义监控界面，实现以下功能：实时显示当前数据、综合汇总某一类数据制成图表、对监测节点实现远程参数设置或控制、当前网络状态检测、报警信息弹窗提示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于LPWAN的纺织车间监测***，其特征在于：主要由监测节点、汇聚节点和监测平台三个部分组成。其中监测节点作为终端节点实现对温湿度数据、纺线状态数据和工件计数数据的实时监测，并对异常状态报警。汇聚节点通过LoRa网络与监测节点之间进行通信，实现监测节点数据的汇聚，并通过NB-IOT网络将数据上传至监测平台。监测平台实现数据的接收，并为用户提供交互界面，可实现监测节点的管理、数据的实时显示、数据查询及自动的短信提醒等功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于LPWAN的纺织车间监测***，其特征在于：所述的监测节点主要包括控制芯片STM32F103C8T6、LoRa通信模块、温湿度传感器、红外收发电路、报警电路、电源模块、时钟电路和复位电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于LPWAN的纺织车间监测***，其特征在于：所述的汇聚节点主要包括控制芯片STM32F103C8T6处理器、LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、电源模块、时钟电路和复位电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于LPWAN的纺织车间监测***，其特征在于：所述的物联网监控平台采用OneNet物联网平台，该平台提供MQTT、CoaP、HTTP/S等多种协议SDK设备接入，可快速对接2G/3G/4G、NB-IoT、LoRa、WiFi等不同网络设备，支撑设备数据采集上云，同时能够实现增加API和应用模板的种类，实现物联网领域中的设备连接、协议适配、数据保密、大数据分析、远程控制等功能。
5.根据权利要求1所述的基于LPWAN的纺织车间监测***，其特征在于：所述的无线通信网络体系包括LoRa和NB-IoT两种低功耗广域网无线通信技术，该网络体系利用LORA技术实现监测节点的数据传输和汇聚，利用NB-IOT技术实现汇聚节点数据的上传。这种网络体系即可实现数据实时传输，又可节约成本，且组网方便快捷。
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