基于LoRa与可编程片上系统的纺织设备无线数传节点

万雪芬，杨 义，崔 剑，Sardar Muhammad Sohail，兰 芸

（1.华北科技学院计算机学院，河北廊坊 065201；2.河北省物联网监控工程技术研究中心，河北廊坊 065201；3.东华大学信息科学与技术学院，上海 201620；4.东华大学数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620；5.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100083）

0 引 言

纺织智能化是我国纺织行业转型升级的核心手段。纺织智能化需要建立在以数据信息为基础的信息化与工业化的广泛融合上。虽然近年来我国纺织行业设备自动化程度不断提高，但是设备的信息交互能力略有不足。此外，在行业中还存在大量的老旧设备因为成本等原因无法迅速淘汰。如何为纺织设备提供有效的信息交互通道，防止出现信息孤岛是实现纺织智能化面对的主要挑战之一。

物联网技术的迅速发展有望为上述问题提供有效的解决手段[1-2]。面向下一代物联网的LoRa 低功耗广域网（LoRa LPWAN，Long Range Low-Power Wide-Area Network）技术有望克服ZigBee、WiFi 等传统无线数据传输方式的传输距离短、网络拓扑复杂、组网能力受限等问题，同时避免有线传输方式布线复杂、灵活度差、成本较高等不足[3-5]，为智能化纺织提供设备间、设备到中心站等通路上稳定可靠的无线数据传输通道。而借助可编程片上系统（Programmable System-on-Chip，PSoC）则可在低成本、高可靠性的前提下灵活地匹配设备，实现高度集成化系统设计，并有助于提供基于芯片IP 核（Intellectual Property Core）的信息服务[6-7]。本文基于LoRa与PSoC 技术，提出一种适用于纺织设备升级改造的无线数传节点，为纺织设备信息化升级及产业智能化提供相应的支持。

1 LoRa与PSoC技术

LoRa 无线传输技术由Semtech 公司提出，其物理层基于啁啾扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）[8-10]。通过CSS 技术可以有效降低信号在传输过程中的多径效应，障碍物穿透性好，视距通信距离可达10 km 以上，并可实现-140 dBm的超高灵敏度。这一特点非常适合在纺织企业的复杂生产环境中实现设备互联。在一个LoRaWAN中可以容纳百万级节点，这为纺织生产流程控制、环境及污染物监测、厂区精细化管理等多维度的联网需求提供了充裕的组网接入保障。LoRa 在组网中采用简单的星型拓扑结构，极大地简化了网络结构。LoRa 单节点成本与ZigBee 等持平，无需中继节点进行多跳传输也会显著降低系统整体成本及布设复杂度。与NB-IoT、Sigfox 等同属LPWAN的技术相比，其日常工作无需依靠移动数据运营商，不会产生持续的网络接入运营成本。Semtech 现已和IBM、Microchip 等公司共同成立LoRa 全球技术联盟（LoRa-Alliance），依托该联盟强大的产业化支持，也有助于构建面向纺织的LoRa 产业生态系统。

PSoC 单个芯片上高度集成了可配置模拟和数字设备功能、存储器和微控制器等。可利用PSoC 芯片内的CPU、存储器、数字子系统、模拟子系统等IP 核资源，通过数字和模拟总线将这些IP 核连接在一起，在一个“硅片”上实现“定制”功能的数模混合嵌入式系统。利用PSoC 实现针对纺织设备的物联网系统，可兼具高集成度与高可靠性的优点。通过PSoC 实现针对纺织应用的最突出的优点是可以在通用化的硬件结构上形成对具体应用有极高针对性的IP 核设计，并实现设计重用。我国现有纺织设备型号繁杂、新旧不一，应用需求也具有较大的差异化，企业规模与其信息化投入等也存在较大差异。若针对每一个需求都单独研制硬件平台，不仅会增大成本与研发周期，也不利于产品在行业市场中占得先机。而通过PSoC 基于其内部原生IP 核及通用数字模块（Universal Digital Block，UDB），可以在不改变硬件设计的基础上实现针对具体需求的用户IP 核，并生成对应API 供开发使用，从而匹配现有设备及用户需求。对于行业服务厂商，其部分服务方式也可由传统提供繁复的硬件配套变为提供具有自主知识产权的IP 核。该方式开发迅速、成本低廉、通用性好、具有自主知识产权，在老设备升级方面具有显著的优势。同样也会为新设备功能升级提供助力。

2 无线数传节点设计

无线节点用于连接纺织机械、监测传感器等设备，并进行设备间、设备到上位机等的无线通信。节点与设备间既可通过CAN，RS 485，RS 232 等数字总线接口，亦可支持模拟接口、PWM 或用户自定义的协议等。其通过侦听或端接模式获取设备的信息。在侦听模式下，其连接至原有设备数据接口并侦听设备数据。在不打断原有设备通信流程的前提下提取数据并发往目标设备。在端接模式下，节点与设备借助总线直接通信或采集设备输出等。侦听模式无需对现有设备进行更改，可实现即插即用。总线端接模式下亦可利用PSoC 内部的UDB 模块适配各种协议，设备仅需按照简单数据格式与节点实现交互，该过程也无需繁杂的工作。节点还具有同时交互多个设备的能力。

节点与上位机之间利用LoRa 无线传输，设备数据等使用LoRa 应用层Payload 容器承载，该Payload 容器的长度可根据需求灵活设置，最大可为128 B。使用中，按照针对具体纺织设备或传感器传输要求预先定义的格式将设备数据装入Payload，并实现针对不同数据的承载封装。Payload 在传输时由LoRa 数据链路层打上节点标识，该标识与节点LoRa 设备的网内ID 相同。上位机与节点等通过LoRa 节点标识即可实现可靠的网内数据传输，避免了复杂的网络操作。

在具体实现中，节点围绕Cypress 公司出品的CY8C3866AXI-040 型PSoC3 芯片设计，其内置工作频率高达67 MHz的固核高速MCU，内部UDB 阵列由24 块基于PLD的可配置UDB 单元组成。此外，还集成了原生可灵活配置的多功能GPIO 接口、高精度A/D、多种总线模块等资源，进一步为节点的功能设计提供了基础。LoRa 通信模块选用基于SX1278的AS32-DTU-1W 型模块，其工作于具有较好穿透性的433 MHz 频段，发射功率可达30 dBm，并具有自动分包传输及双256 环形FIFO 等易于实现可靠数据传输的方式。AS32-DTU-1W与节点通过RS 485 接口连接。节点供电部分采用隔离型AC-DC 或DC-DC 电源模块，在获得较高能量转换效率的同时也较大程度地抑制了外部电磁冲击。节点PSoC3 芯片与外部设备数据之间通过隔离型接口模块进行逻辑电平转换及抑制总线干扰等，此外，在接口电路中还设置了浪涌抑制器，降低节点在实际工作中由于雷击、浪涌、过压等有害信号造成的风险。通过采用上述设计，节点可以在十分简洁的布局结构上取得丰富的功能及伸缩性/适配性，具有较强的抗电磁冲击能力（隔离2 500 V DC 以上、通流容量为500 A），以及较高的可靠性及较低的成本（单节点成本低于650 元）。数传节点主板如图1 所示，数传节点硬件结构图如图2 所示。无线数传节点工作流程示意图见图3。

图1 无线数传节点主板Fig.1 Mainboard of wireless data transmission node

3 系统测试

系统完成后在河北省石家庄市某印染企业中进行了测试。该企业现有染整设备投产时间跨度从20 世纪90年代末到2013年，亟需通过信息化建设整合生产流程。该企业还有对厂区环境因素进行无线监测的需求。实施中，无线数传节点被布设于前处理设备、染色设备、后整理设备等处，用于采集车速、反应箱温度、焙烘温度、风量等，此外，还用于连接厂区设备用水及工作废水的pH 值传感器、水温/水量传感器、车间温湿度传感器等。设备与传感器的数据接口有RS 232、RS 485、脉冲计数、脉宽输出、模拟量及用户自定义协议格式等多种形式，但是通过PSoC的IP 核设计，可以较好地在同一硬件结构上承载上述数据。实现过程中结合原生IP 核及针对具体实用开发的应用IP核，并加以封装。

图2 无线数传节点硬件结构图Fig.2 Hardware structure of wireless data transmission node

如采用数传节点承载部分设备的RS 232 接口与传感器模拟接口的设计中，可复用PSoC 原生UART IP 核，之后结合使用Verilog HDL 编写的数据规格化及接口适配管理IP 核，并进一步将上述整合成面向具体应用的专有IP 核（RS 232 数据管理IP 核）。这样在完全不需要改变硬件设计的基础上实现了功能要求，并大大缩减了开发复杂度，实现了功能复用。无线数传节点的IP 核开发设计结构如图4 所示。

图3 无线数传节点工作流程示意图Fig.3 Workflow diagram of wireless data transmission node

在测试中，车间内安装的数传节点与上位机之间的距离介于20～250 m 范围内；户外泵房内安装用于传输外部水温/水量监测数据的节点与上位机距离约500 m。测试中上位机采用15 dBi的全向玻璃钢天线。由于LoRa 具有较佳的传输效能，泵房节点及车间内大多数节点与上位机之间的LoRa 数据通信未出现数据丢失情况，仅有部分节点由于信号传输过程中需要穿透三七承重墙，由此造成了LoRa 信号的较大衰减。但是由于LoRa的单跳特性利于在类似情况下采用定向天线（LoRa 无需借助邻居节点中继，所以可以通过定向天线集中发射功率覆盖上位机接收所在区域），将节点原有的3 dBi 天线替换为15 dBi 高增益平板定向天线后解决了这一问题。

图4 无线数传节点IP核设计结构图Fig.4 Structure diagram of IP core design of wireless data transmission node

在节点与设备的连接中，如设备有较强的带驱动能力且协议允许或节点输出的为模拟量，则直接采用侦听模式。而在其他情况下，通过总线端接模式合理配置节点IP 核结构中的用户设计部分来匹配设备。具体实现中数传节点与设备间采用主从问询模式或自动传输。前一种情况下由节点向设备发出问询指令，并获得由设备发来的数据等，这种方法灵活性较高，适合环境温湿度、pH 值等变化较缓的数据。后一种情况下，节点接收设备按照预定的数据协议格式发来的数据，这种方法适合跟踪车速等变化较快的数据。在实际工程中发现，通过结合PSoC 原生IP 核的开发方式，上述方法都可避免大量的开发工作，并兼具极强的灵活性以匹配各种厂区设备。

4 结 论

本文基于LoRa与PSoC 技术提出了一种适用于纺织企业信息化升级的无线数传节点。通过该节点可以构筑由设备间、设备与上位机间可靠的无线数据传输通道。数传节点基于LoRa 技术进行设备间、设备上位机之间的通信，由此具有传输效果好、网络拓扑简洁、维护及扩充方便等显著优点。而基于PSoC的IP 核开发使节点在面向不同设备及应用中可以较为灵活地适配设备接口、优化功能、缩短开发周期等，尤其适用于一些纺织企业中大量不同型号老设备共存升级时的情况。本文提出的无线数传节点有望为未来纺织企业生产设备信息化、智慧化升级提供相应的技术手段。

注：本文通讯作者为杨义。