| 标题 | LoRa通信技术在天然气井数据监测系统的应用 |
| 范文 | 李光明 李海霞 摘要：为了保障天然气井的生产安全，需要对各天然气井中管道内的差压、温度、压力、流量等重要参数进行采集，以实时对井下作业状态进行监测。该文以天然气井的监测为切入点，引入了LoRa技术在天然气井数据监测系统的应用这一话题，然后详细阐述了LoRa通信技术的优点和缺点，并对其基本原理进行了说明；以一个实际的系统设计为案例，对LoRa通信技术在天然气井数据监测系统的应用进行了全面分析，包括系统的总体方案设计、系统的硬件设计以及系统的软件设计；最后对LoRa通信技术在物联网领域的应用方向进行了总结和展望。 关键词：LoRa；GPRS；天然气井站；数据采集；STM32F407；STM8L152K4 中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）27-0237-04 Application of LoRa Communication Technology in Natural Gas Well Data Monitoring System LI Guang-ming，LI Hai-xia （College of Electrical and Information Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xian 710021， China） Abstract：In order to ensure the production safety of natural gas wells， it is necessary to collect the important parameters， such as differential pressure，temperature， pressure and flow in the pipeline of various natural gas wells， so as to monitor the condition of underground operation in real time. Taking the monitoring of natural gas well as the breakthrough point， this paper introduces the topic of the application of LoRa technology in the data monitoring system of natural gas well， then expounds the advantages and disadvantages of LoRa communication technology in detail， and explains its basic principle； with a practical system design as a case， the number of natural gas wells in the LoRa communication technology is the number of natural gas wells. According to the application of the monitoring system， a comprehensive analysis is made， including the overall scheme design of the system， the hardware design of the system and the software design of the system.Finally， the application direction of LoRa communication technology in the field of Internet of things is summarized and prospected. Key word； LoRa；GPRS； natural gas well station； data acquisition； STM32F407； STM8L152K4 天然气是现存较优质、高效的绿色能源之一，对世界能源消费革命和改善大气环境有着重要作用。从我国目前现状来看，虽然我国近几年的天然气消费量在持续增长，但天然气在一次能源消费中的比重还很低，国家正在加快天然气开发工作。而天然气开采是一项非常复杂的系统工程，为了保证生产安全和开采效率，对天然气井的重要参数进行采集并实行监控是十分有必要的。目前已有多种基于不同原理的监测方案，如485总线与M-BUS结合的方案、Zigbee的无线方案、3G/4G网络方案，利用这些方案均可实现监控终端的数据上传与远程监控中心的命令下发，但这些设计方案都各有弊端，而LoRa的出现，因其通信距离远、抗干扰能力强、功率低、覆盖范围广、成本低等优点解决了通信距离短、容量低、成本高等问题，从而得到了廣泛的应用。本文就对LoRa通信技术在天然气井数据监测系统的应用进行了全面分析，并设计了一个基于LoRa的天然气井数据监测系统。希望本文的研究能为相关领域提供有益的借鉴。 1 LoRa通信技术的特点 LoRa通信技术是一种融合了数字扩频技术、数字处理技术以及前向纠错编码技术的无线电调制解调技术，其性能比传统的调制解调有了很大的进步，在同等功耗的情况下可以实现更远的通信距离，并且不再需要进行信号中继，非常适用于本系统中各数据采集和监测的应用需求[1]。 1） 传输距离远。由于采用了先进的扩频通信技术，LoRa使通信带宽的利用实现了最优化，大大降低了通信系统对信噪比的限制，因而使通信距离得到了明显的增加。传统的RF无线模块最远的传输距离一般不会超过2km，而采用LoRa技术可以在没有中继设备的条件下将通信距离增加到5km以上。突破了传统的Zigbee、Wifi、蓝牙等无线物联网技术在传输距离上的关键瓶颈。 2） 传输功耗低。LoRa采用的扩频调制技术使其应用设计变得十分灵活，可靠性得到有效提高，即使噪声水平在20dB以下也可以实现精确可靠的网络连接，如果想调整传输速率，只要对扩频因子进行适当的调整就行，并且发射功率优于传统的调制技术。 3） 抗干扰性强。LoRa技术采用的扩频通信技术本质上就具备抗干扰的优异性能，因为设备在接收信号后需要进行解扩处理才能对信号进行还原，这就避免了包括同类信号在内的各干扰。 当然，LoRa技术本身也仍然存在着不少问题，例如由于扩频调制造成的传输速率下降、实时性不够、通信容量低，其应用还受到LoRa射频芯片价格的限制。 2 LoRa通信技术的原理 LoRa技术在物联网领域的广泛应用，主要有利于其对前向纠错编码和扩频调制等技术的有效整合。所谓的前向纠错编码技术，一般是指在待发送数据流中插入部分特定的冗余字节，使得数据在传输过程中产生的错误可以被接收端纠正。当数据包中被插入了前向纠错编码后，就会直接传输至数字扩频调制器中进行进一步处理。扩频调制器的特点是可以通过调节扩频因子来实现小容量数据通过大带宽进行传输。扩频调制技术是LoRa技术的核心，它可以使传输信息的信号带宽远大于信息本身的带宽，然后通过全数字的形式进行传输。带宽的改变从数学的角度上看实际上是利用了一个与被传信息无关的函数对信息本身进行调制，即扩频函数，数据传输到接收端后进行相反的运算过程进行解调，从而实现了远距离、低功耗和大容量传输的目的。 3 LoRa数据监测系统的设计 3.1 天然气井站监测系统的组成 本系统主要由数据采集终端、LoRa网关、云服务器、监控中心四大部分组成。为了降低系统延迟和简化网络结构，基于LoRa通信技术的数据监测系统采用星形组网，采用LoRa扩频芯片实现采集模块与集中器直接组网连接，考虑到LoRa通信具有传输距离远的优点，在天然气井的应用场合中不需要安装中继设备，直接采用星形网络即可搭建LoRa微功率网络，如图1所示。 数据采集终端主要功能：负责各个天然气井站的温度、压力、流量等数据的采集，并将采集到的数据上传给集中器； LoRa网关主要功能：将监控中心的命令下达给各个天然气井站，并将各个井站的信息反馈到监控中心，主要负责数据的传输，同时也负责多节点的在线管理； 云服务器主要功能是：在这里将各天然气井站的数据信息汇聚、储存以及处理； 监控中心的主要功能：通过监控中心系统软件联通因特网，与各网关控制器建立实时通信，遥控、遥信、遥调监控点的压差、流量、温度、阀门关闭状态等。根据监测数据，自动分析设施的运行状况，预测故障，从而实现对天然气井的实时远程监控。 3.2 硬件选型及设计 3.2.1 LoRa模块的选型 在系统硬件选型中，选用了成都亿佰特公司生产的型号为E32-TTL-100的无线串口模块，该产品是基于SEMTECH专利技术芯片SX1278研发的一款高品质LoRa射频通信前端，工作在410～441MHz频段（默认433MHz）。具有超远距离扩频通信、抗干扰性强、低电流消耗等特性。同时支持传统的FSK调制和LoRa扩频技术，最高可实现-147dBm的高灵敏度，采用工业级晶振，保证其稳定性、一致性，精度均小于业内普遍采用的10ppm，可实现最大20.4dBm的功率输出，该模块还具有数据加密和压缩功能[3]。模块在空中传输的数据，具有随机性，通过严密的加解密算法，使得数据截获失去意义；而数据压缩功能有概率减小传输时间，减小受干扰的概率，提高可靠性和传输效率，LoRa扩频的通信距离可达5～8km。这些特点非常适合远距离传输且对可靠性要求较高的应用场景。 如果选用E32-TTL-1W的LoRa模块，虽然发射功率比较大，但同时它所需要的发射电流也比较大，接近1A，而且外部还带PA功率放大器，不带外部PA功率放大器的才可以用干电池供电，考虑到本系统的电源供电方式、数据大小，最终选择了以SX1278芯片为核心的E32-TTL-100的无线串口模块，如果有些地方需要大功率的话，就必须外部供电，或者大电瓶供电。本系统中的数据采集终端和集中器都用的是SX1278收发器。 3.2.2 数据采集终端MCU的选择 考虑到数据采集节点的低功耗、低成本功能的实现，方案以STM8L152K4单片机为节点核心，RAM只有2KB，通过RS-485总线接口与流量计、模拟量拓展单元连接，同时也支持IIC硬件协议，实现数据的汇总并进行协议转换，再通过RTU内置LoRa无线射频模块发送转换信号。天然气井站的RTU示意图如图2所示： STM8L152K4通过程序逻辑对各传感器发出采集指令。现场传感器统一采用工业标准信号4～20mA的模拟电流信号，转化为电压信号后经过485串口传入STM8L152K4进行处理。 3.2.3 LoRa网关的MCU选择 考虑到处理器的运算速度、外设种类、操作系统、可扩展性、数据存储空间、资料丰富程度等因素，本系统网关的主控芯片以ARM内含Cortex-M3内核的STM32F407为核心，外设模块可通过US-ART与RS-232、RS-485以及LoRa通讯模块连通，同时SPI接口与存储模块通信。 本系统的汇聚节点主要负责无线网络指令的下达、终端采集数据的接收与上传、系统的检测以及管理等功能，其匯聚节点示意图如图3所示，汇聚节点通过LoRa无线网络接收区域内采集节点上传的数据，并通过GPRS将数据上传至监控中心；同时下发监控中心的命令到LoRa网络任意采集节点。 理论上，一个LoRa集中器汇聚节点可以最多容纳三万个终端采集节点。但是在实际使用中，太多的终端节点会使集中器负担过重，以至于导致网络瘫痪或误码率增加[4]，所以按区域划分，减少集中器的负担，多设置一些集中器汇聚节点。首先在井下的各监测点中布设相应的传感器，由STM8L152K4控制采集模块进行数据采集，然后由STM8L152K4采集模块将采集到的信号发送给LoRa模块。LoRa模块首先要把STM8L152K4发出的数字信号调制为LoRa信号，然后通过STM8L152K4控制的LoRa模块统一发送至集中器进行数据汇总，集中器上的LoRa模块对接收信号进行解调并按相应的格式转换为GPRS信号，由GPRS无线网络发送出去，信号最终从无线网络接入互联网，并汇总到云平台。最后用户通过Web或者App访问云端的参数，从而实现对天然气井的实时远程监控。 3.2.4 电源模块 考虑不同的指标采集频率不一样，没必要把采集频率低的调高，因为这样子不但浪费电能、浪费空中信道而且增大系统压力，所以可以把采集频率设为1小时采集1次，那么4节5号电池至少可以可用两年，这也与本系统的低功耗相呼应。 3.3 系统软件设计 本系统采用FreeRTOS实时操作系统来进行各个天然气井站参数的调度与管理，FreeRTOS是一个可裁剪的小型RTOS系统，该系统具有简单、易用、高移植性、任务数量不限等特点，通常情况下内核占用4K～9K字节的空间。 本系统的软件流程图如图4所示。开机后，STM8L152K4通过系统软件会对整个系统进行初始化，设置寄存器、定时器等资源的初始状态，并进入待采集状态。然后由STM8L152K4发出一条数据采集命令，现场采集模块接收到命令后，根据地址读取相应传感器的当前数据并保存在寄存器中。接着STM8L152K4会将寄存器中的数据读入内存并做简单的预处理，然后将数据传输给LoRa模块，LoRa对数据进行调制后向外发出，接收机通过对数据解调后，转化为GPRS信号，并调用相应的数据发送函数，完成一次数据采集与发送任务。此时系统会进行一次时间判定，如果未到達下一个采集周期，并且距离下一个采集周期时间较长时，会将系统切换到休眠状态。直到下一个采集周期到来后，才再次唤醒系统进行数据采集。 本系统的特点在于引入了系统休眠机制，考虑到采集模块长期处于井下环境，有时候仅需要周期性地对井下数据进行采集即可，在不采集期间，电路大部分时间处于空闲状态，此时可将系统切换为休眠状态，最大限度地减少系统的功耗。 4 系统测试 搭建本系统的测试环境，验证本天然气井站监控系统中从采集端到汇聚节点端的运行效果。本测试系统中搭建的模拟环境主要由1个汇聚节点、2个采集节点、两个DHT11温湿度传感器组成，汇聚节点通过E15-USB-T2转接板与电脑连接，从而实现STM32测试板与PC机的通信，再利用串口调试助手查看两个采集节点采集的具体数据与接受和发送的统计数据。采集节点的射频中心频率为433MHz、发射功率为20.4dBm、串口波特率为9600bps。测试结果如图5所示，其中10和11为采集节点编号，23、16为对应节点的十六进制的湿度和温度，转化成十进制数就是35、22。 测试结果表明，SX1278无线串口可以正常运行收发程序，同时PC机可以正常接受并显示一定距离外的采集端的温湿度数据，且节点入网灵活，一个集中器可以容纳几个甚至上万个节点，数目拓展性强。这为天然气井站远程监控系统做出了重要的改善，提高了网络容量、工作效率、网络可靠性。 5 总结 目前针对天然气井站的监控系统已有多种基于不同原理的监测方案，如485总线与M-BUS结合的方案，需要在现场进行布线和市电取电，这在天然气井站的现场来说非常不便；后来，又出现了Zigbee的无线方案，不需要现场布线同时也可以采用电池供电，在使用上方便了很多，但是Zigbee技术组网存在着会很大的弊端——通讯距离太近，远距离传输时易出现数据丢包的现象，不太适合于天然气井远程监控系统；再后来出现了3G/4G网络，利用3G/4G网络实现监控终端的数据上传与远程监控中心的命令下发，但存在成本过高、可靠性差、在某些信号相对较弱的地方易出现丢包现象等问题，以前的这些设计方案都各有弊端，而LoRa具有通信距离远、抗干扰能力强、覆盖范围广、成本低等特点，通过LoRa技术的温湿度采集实验充分证明了LoRa无线通信技术的特点，即通过把节点的采集数据直接上传到集中器，实现点对点的直接通信，提高了系统的可靠性；利用电池供电，避免了市电取电的不便性；数据采集节点的增、删也比较便利，增强了系统的拓展性；并且此系统具有较强的移植性，可以应用在和本系统一样具有远距离通信、低功耗要求的应用场所，如智能抄表系统、智能农业环境监测系统、智能路灯等，在打造“智慧”城市进程中存在巨大的潜力。 参考文献： [1] 邵泽华.LoRa通信技术在智能燃气表的应用[J].煤气与热力，2017，37（02）：39-42. 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