基于物联网的纺织车间监测系统

陈 悦，彭天然

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

纺织品会受到环境温湿度的影响，其物理特性和机械特性由于温湿度的改变都将发生不同程度的改变。根据纺织车间中所使用的各类生产资料主要情况及特点，需实时测定其温湿度和其他工作状态指标，并进行有效控制。LoRa无线通信技术具有一系列优势，主要包括：较高的接收灵敏度，使网络的可靠性明显增加；具有比较低的功耗等。本文提出一种以物联网为基础，充分运用LoRa无线通信技术的纺织车间监测系统，帮助纺织车间实现精准监测，使得车间智能化水平大幅提高[1-3]。

1 系统总体设计

图1详细介绍了系统的总体结构。应用层、传输层以及感知层等共同构成了物联网结构。在纺织车间中安装的监测系统由监测节点组成感知层，其主要功能是采集数据；由LoRa网关与中继器构成传输层，其主要功能是汇集监测点所采集的数据和延长数据传输距离。LoRa网关相对于蓝牙、ZigBee、WiFi等设备，既可以满足低功耗的要求，又可以实现远距离传输，综合性能更优。LoRa无线通信可以由LoRa网关转换成RS 232有线通信，上位机接收传送的数据。由上位机监测平台构成应用层，利用物联网平台实现数据的综合性处理与人机交互[4]。

图1 系统结构

2 系统硬件设计

意法半导体公司推出的STM32F103ZET6单片机可工作于-40～105 ℃的环境，供电电压最高仅为3.6 V，功耗低，适用范围广。设计时，监测点、中继器、LoRa网关采用STM32F103ZET6单片机作为控制芯片，为系统各模块供电。

2.1 监测节点设计

监测节点应具有采集数据信息的能力，根据图2可知，环境监测点由按键电路、报警电路、LoRa通信模块、HTU21D温湿度传感器以及STM32F103ZET6等组成。温湿度传感器HTU21D尺寸小、精度高、功耗低、性价比高，适用于资金受限，但需要大范围使用温湿度传感器的电路[6-7]。

图2 环境监测点电路

2.2 中继器设计

在较大的范围内，中继器可传输所监测数据至LoRa网关之中。其主要功能为对数据进行中转传输，所以设计2个LoRa模块，其中之一主要被用来实现中继器与监测点间的相互通信，另一块主要被用来实现中继器和LoRa网关间的相互通信。中继器通信原理如图3所示，2个不同的信道里有着互不干扰的2个通信过程，监测点和中继器间的通信通过信道1实现，而信道2则实现了中继器与LoRa网关间的通信。采用星型网络结构，以降低网络复杂度，保证数据中转流畅。

图3 中继器通信原理

搭载2块LoRa通信模块之后，系统将具有同一时间进行数据收发的相关功能。此外，数据的收及发通过不同信道来完成，可使数据碰撞现象显著降低，以提高中继效率。

2.3 LoRa网关设计

该部分主要功能是接收不同监测节点上传的有关数据，再利用串口将数据传至上位机监测平台，为此，需在控制芯片上搭载LoRa模块。利用MCU和MAX232的通信特性实现PC端上位机监测平台和LoRa网关间的通信，且需要将数据在不同格式之间转换，其功能才会实现。LoRa网关结构如图4所示。

图4 LoRa网关结构

3 系统主要部分程序设计

在软件及硬件的相互协作之下，才可实现系统的顺利运作。在设计时，需要考虑具体的功能需求以针对不同的模块进行设计，同时也要根据设计所需硬件功能的要求对软件进行分模块设计，只有这样，预期的功能才会实现，同时系统也具有良好的移植性和扩展性[8-10]。

图5～图7分别为监测节点、中继器、LoRa网关的主程序流程。

图5 监测节点主程序流程

图6 中继器主程序流程

图7 LoRa网关主程序流程

4 结 语

本文面对纺织车间所需的环境条件提出问题，分析了相关因素，设计了以物联网为基础的纺织车间监测系统。系统主芯片为STM32F103ZET6，连接按键电路、报警电路、红外收发电路、温湿度传感器和LoRa通信模块等，具有成本低、功耗低、安装容易、高效可靠等优点。