基于Lora技术的生产设备联网工程设计与实现

焦利强 王波 张自强 马海淞

摘 要 Lora技术由Semtech公司创建，被Semtech公司解释为物联网的DNA，是一种远距离，低功耗的无线标准，该技术以低速率，和远距离，低成本的特点，被人们广泛运用于仪器仪表等非实时通讯场合。本文主要介绍一种将Lora技术用于生产设备联网的一个架构设计及实现重点事项。

关键词 设备联网;Lora;信息化

项目背景目前园区大概有200余台的设备，每台设备的购置成本都很高。综合计算下来，机器人成本在千万级别。如果不合理利用，极容易提高成本。欲通过计算机技术手段实现机器人当前运行状态的实施监控，促进管理提升，通过合理调度，做到提高资产利用率，减少成本浪费。

由于现场经常会做工艺改善，导致现场生产设备具有一定流动性，如果采用有线连接，会由于设备迁移而破坏线缆，导致浪费。故本次选择无线方案。根据用户对设备状态的需求调研，对实时性的要求分析。Lora技术可以通过一定架构设计，可以满足相关的设计。

1项目目的

以较低成本，高灵活性实现设备状态的采集。

2项目设计

2.1 项目硬件架构

该架构分为现场层和应用层两部分。其中现场层中，只需在某区域部署一个网关，即可于多台设备建立数据连接。

由于边缘计算模块与设备侧传感器一对一对应，通过模拟量传输，可确保设备状态信息的不丢失。

网关模块按照顺序与边缘模块建立通讯，采集各统计信息，并形成了缓存。设计上确保信息实时可读。

计算机实时访问网關模块缓存，确保了信息的连续性。

2.2 架构模块介绍

设备： 生产设备。

边缘计算模块： 包含模拟量输入，AD变换，计算模块，通讯模块等。用于与设备传感器实时通讯，并做基本的数据处理;通过UART口与Lora模块连接与网关进行数据交换。

通讯模块： 此处为独立的Lora模块，把边缘模块通信信息调制为低频电磁波信号。再接收端，通信模块解调信号，转换为数字信号，传入网关模块

网关模块：负责对各边缘计算进行点名，查询状态信息，并将各边缘模块信息存储在本地，同时通过网络接口连接园区网，实现与采集服务的数据连接。

采集服务：采集软件通过可靠的有线通讯方式，此处为以太网，与网关进行通讯。查询网关各边缘计算模块的缓存数据。转存到数据库[1]。

数据库：用于存储采集的数据。

2.3 Lora信道设计

工程所用Lora模块为格力能环院自产的COM09.经咨询技术支持和验证测试，如果保证不干扰，所设计信道相邻中心频率距离应不小于750Khz，Lora模块频率支持范围为470～510Mhz。为了避免与其他设备的中心频率干扰，根据现场设备数量和现场复杂度等因素考虑，设计如下：

设置频率为起始频率。公式为max（上一个车间的起始频率+冗余空间*0.8，上一个车间的起始频率+1）。

冗余空间以供后期扩展或硬件升级使用。

设计信道考虑如下因素：

（1） 尽量少的无线信道占用。无线信道为有限资源，边缘模块为设备专用，网关也为项目专用，相对占用较多。这里尽量把信道集中，以减少信道占用。

（2） 尽量多的冗余信道空间，后期根据对设备的推广，性能和效率的提高可进行再规划。

（3） 频率复用，由于电磁波在室内衰减较快，两个不相邻车间可用相同频率。可直接用于初始设计，和后期推广设计。

2.4 网关配置

网关内配置各边缘模块地址，通过各地址，实现与边缘模块的数据查询，并存储。

2.5 硬件架构性能评估

项目所用模块，每个数据查询大概耗时稳定在1.7秒到1.8秒，超时时间设置为3秒。可通过计算得知，如果某网关下配置10个边缘模块，点名周期为30秒。50个边缘模块，即为150秒，约2.5分钟。及网关内的缓存延时为2.5分钟左右。

重点事项提示：

利用无线信道进行通讯，最大的问题就是信道如何设计，确保工程项目的成功。既要保证占用尽量少的信道，又要保证留足尽量多的冗余，以确保项目的可推广性及可用性。

2.6 采集软件的实现

设备采集软件用于和网关进行通讯，采用应答模式，根据设备映射地址读取设备信息。

设备查询模块核心解析代码：

本代码采用python的struct模块进行解析数据包，实现了设备能源数据解析[2]。

3项目总结

（1）240台的设备的状态采集，存储于数据库，用于后期的状态分析。

（2）由于采用了无线传输，实现了设备数据采集的灵活性。当设备在区域内迁移，不需要做任何配置变动，如果区域变动，只需配置相应的地址即可实现设备的联网恢复。

（3）由于Lora技术的低成本使用，及省去了网线的布设，成本相对较低。

参考文献

[1] 闫宁，杨磊.关于物联网NB-IoT和LoRa的技术分析[J].中国新通信，2019（9）：58-59.

[2] Mark Lutz著，李军，刘红伟，等译. Python学习手册[M].北京：机械工业出版社，2011：119.

作者简介

焦利强（1984-），男，河南浚县人;毕业院校：河南大学，专业：电子信息科学与技术，学历：本科，现就职单位：格力电器（郑州）有限公司，研究方向：物联网应用。

王波（1984-），男，河南开封人;毕业院校：北京航空航天大学北海学院，专业：软件工程，学历：本科，现就职单位：格力电器（郑州）有限公司，研究方向：物联网应用。

张自强（1984-），男，河南开封人;毕业院校：北华大学，专业：自动化，学历：本科，现就职单位：格力电器（郑州）有限公司，研究方向：物联网应用。

马海淞（1989-），男，河南项城人;毕业院校：安阳工学院，专业：机械设计及其自动化，学历：本科，现就职单位：格力电器（郑州）有限公司，研究方向：物联网应用。