基于超长距低功耗数据传输技术(LoRa)的油库储油自动感知系统的设计

闫震宇 徐 丹

〔1 森诺科技有限公司 山东东营 257000；2 中国石化胜利油田分公司 山东东营 257000〕

石油储备工艺流程复杂，布局紧密，其易燃易爆的特性使其储备的安全性要求极高，稍有不慎就会造成重大事故。一个稳定的监控系统是油库安全管理不可缺失的一环。

现有储油自动感知系统可采用HIMS混合法获取油罐数据，并通过现场总线或ZigBee技术上传。但现场总线的国际标准尚未统一，各网络间还存在兼容性问题，如Siemens的ProfiBus，RoberBosch的CAN等[1]。ZigBee技术也因其通信频率高、信号衰减快存在单跳传输距离短，多跳组网结构复杂等缺陷[2]。

LoRa(Long Range，超长距低功耗数据传输技术)是LPWA(Low Power Wide Area，低功耗广域)技术的代表，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性[3]。本文将LoRa技术应用于油库储油自动感知系统，为油库无线应用提供新的选择。

1 系统的总体设计

油库储油自动感知系统无线通信的总体架构由终端(测量仪表，内置或外接LoRa模块)、LoRaWan网关(或基站)、PLC可编程逻辑控制器和操作站4部分组成，如图1所示。终端采用星型组网方式采集现场液位、温度和压力数据。网关通过LoRa网络与各终端仪表进行数据接收与发送，同时实现LoRaWan与串口、TCP/IP协议间的转换，将收到的数据上传至PLC。PLC可编程控制器利用其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制等指令，执行泵阀控制动作。操作站利用组态软件具有数据计算、系统报警等功能。由于测量仪表仅能获取液位、温度和压力数据，需通过罐容计算、视标准密度转换、温度及压力修正等算法获取油品的容积、质量等相关数据[4]。

图1 系统总体设计

2 关键技术及系统设计

油库储油自动感知系统设计主要包括终端设备、LoRa网关的硬件设计和系统软件设计。

2.1 系统硬件设计

2.1.1 终端设备

混合式油罐测量系统(HTMS)可实现油品液位、温度、密度、体积和质量等所有静态计量参数的自动测量和计算，一般设置为高精确度液位变送器(罐顶安装)、高精确度压力变送器(罐底安装)、单点或多点平均温度计。其中液位变送器主要选用雷达液位计或伺服液位计[5]。

雷达液位计是基于时域反射原理(TDR)设计，其电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播，遇被测介质表面反射形成回波并沿相同路径返回脉冲发射装置，经计算后可得出探头与被测介质表面距离。其优点是准确度高，与检测介质不接触，安装方便，但使用较久后油气挥发物会附着在探头表面，影响测量精度。

伺服液位计是基于阿基米德原理设计，通过伺服电机调整浮子使其位于液体表面，此时浮子所受的重力、浮力和拉力平衡。其优点是准确度高、稳定、易维护，但安装要求高，价格较贵。

LoRa模块需选用SEMTECH公司推出的带扩频调制解调技术的射频芯片，其传输距离远、抗干扰能力强，且工作在ISM开放的频段，无需授权[6]。

终端结构如图2所示。

图2 终端结构图

2.1.2 LoRa网关

LoRa网关由单片机、射频模块、以太网适配器或其他接口电路、电源组成，可实现多通道并行接收，同时处理多路信号。单片机采用SEMTECH公司指定的低功耗STm32L系列芯片，射频模块选用SEMTECH公司推出的SX系列射频芯片。本系统使用RS485接口将数据上传至PLC可编程逻辑控制器中。LoRa网关结构如图3所示。

图3 LoRa网关结构图

2.2 系统软件设计

终端采集完现场数据后，需与LoRa网关进行通信，同时网关通过串口将数据透传至PLC可编程逻辑控制器。终端与LoRa网关之间的通信协议帧格式如表1所示。帧头、帧尾固定，命令位可区分终端液位、温度、压力类型，长度位表示数据位有效数据长度，编号位表示终端的ID。其数据传输流程如图4所示，USART接收仪表数据，LoRa模块接收网关发来的广播数据，切换到相同的通信信道，透过USART2上传数据，收到网关的ACK确认，否则重新发送。完成后备份数据，等待下一次采样周期[7]。

表1 通信协议帧格式

图3 终端与网关数据传输流程

PLC可编程逻辑控制器配置RS485串行通信模块，按照约定的RS-485串行通信协议与LoRa网关通信，PLC向LoRa网关发送查询命令，网关返回应答信息，从而获得现场数据，并通过以太网上传至操作站。

3 结语

随着国家对工业生产中安全问题的逐步重视，监控系统在企业生产生活中发挥的作用越来越大。本文针对油库油罐内油品的监测，设计了基于LoRa的储油自动感知系统。相较于传统的现场总线或ZigBee技术，具有成本低、传输范围广、组网简便等特点，应用前景广泛。