基于LoRa技術(shù)的冷卻塔自組網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)*

江偉沖 黃祖健 譚小衛(wèi) 鄧偉軍

基于LoRa技術(shù)的冷卻塔自組網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)*

江偉沖1黃祖健1譚小衛(wèi)2鄧偉軍2

（1.廣東新菱空調(diào)科技有限公司 2.新菱空調(diào)（佛岡）有限公司）

為滿足冷卻塔實時化、組網(wǎng)化及遠距離監(jiān)控的需要，設(shè)計一款基于LoRa技術(shù)的冷卻塔自組網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。采用LoRa技術(shù)實現(xiàn)冷卻塔遠程組網(wǎng)通信，降低了監(jiān)控成本。與傳統(tǒng)的冷卻塔監(jiān)控裝置比較，該系統(tǒng)具有布設(shè)靈活、信號穿透能力強、低功耗和低成本等優(yōu)點，具有較好的推廣前景。

冷卻塔；LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；遠程監(jiān)控

0　引言

冷卻塔是循環(huán)冷卻系統(tǒng)的末端冷卻裝置，亦是重要組成部分[1]，其性能好壞直接影響整個冷卻系統(tǒng)的效率。冷卻塔安裝環(huán)境較為惡劣，且缺乏便捷的監(jiān)控手段，運行人員無法對其進行有效監(jiān)管，因此實現(xiàn)冷卻塔的實時與遠程監(jiān)控具有重要意義。近年來，得益于網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)的快速發(fā)展，冷卻塔監(jiān)控技術(shù)也日漸成熟。天津科技大學(xué)施曉寬等[2]采用PLC控制器實現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機的實時監(jiān)控，其遠程監(jiān)控通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)。該研究重點在于風(fēng)機故障遠程監(jiān)測，不涉及性能監(jiān)控。華南理工大學(xué)劉文浩等[3]設(shè)計了冷卻塔熱力性能監(jiān)控系統(tǒng)與遠程監(jiān)控平臺，該監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控裝置采集現(xiàn)場各類參數(shù)，與計算機連接后通過Internet或3G模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立連接，從而實現(xiàn)冷卻塔的實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控。但該系統(tǒng)在實際布設(shè)中靈活性差、監(jiān)控成本較高，且沒有實現(xiàn)冷卻塔的組網(wǎng)化集中管理。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，冷卻塔遠程監(jiān)控逐漸往更智能的無線、組網(wǎng)化集中管理方向發(fā)展。本文在前期積累的冷卻塔參數(shù)測量與優(yōu)化控制技術(shù)的基礎(chǔ)上[4-8]，研究基于LoRa技術(shù)[9-12]的冷卻塔遠程組網(wǎng)監(jiān)控，搭建監(jiān)控系統(tǒng)的硬件框架，并對關(guān)鍵模塊進行軟硬件設(shè)計。

1　監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計

1.1　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

冷卻塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計核心是實現(xiàn)冷卻塔組網(wǎng)化集中管理的同時滿足用戶正常監(jiān)控需求，主要達到以下目標(biāo)：

1）自動化，實現(xiàn)參數(shù)自動采集、傳輸和存儲；

2）靈活化，監(jiān)控節(jié)點滿足靈活布設(shè)要求，且信號傳輸穩(wěn)定；

3）網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)冷卻塔組網(wǎng)化監(jiān)控，滿足冷卻塔監(jiān)控中心集中管理；同時用戶可通過網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)控中心，對各自設(shè)備進行信息查閱、控制等操作。

1.2　監(jiān)控系統(tǒng)框架及工作原理

根據(jù)冷卻塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，基于LoRa技術(shù)的冷卻塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示，由監(jiān)控節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、LoRa基站、監(jiān)控中心和用戶服務(wù)器等組成[13]。

監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：1）通過LoRa組網(wǎng)透傳模塊的自組網(wǎng)功能，建立一主多從的監(jiān)控節(jié)點網(wǎng)絡(luò)；2）主監(jiān)控節(jié)點與LoRa基站直接通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸主/從監(jiān)控節(jié)點采集的參數(shù)信息；3） LoRa基站將采集的參數(shù)信息通過Wi-Fi上傳到監(jiān)控中心；4）監(jiān)控中心對多個監(jiān)控節(jié)點進行集中管理；5）用戶通過Internet等網(wǎng)絡(luò)訪問監(jiān)控中心，查閱各自監(jiān)控節(jié)點的信息，并修改控制參數(shù)；6）修改后的指令經(jīng)監(jiān)控中心，依次通過Wi-Fi、LoRa傳輸方式，反饋到監(jiān)控節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制參數(shù)的修改。

圖1　基于LoRa技術(shù)的冷卻塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)框架

2　監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集與傳輸，及其在監(jiān)控界面的清晰化呈現(xiàn)。

2.1　感知節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)控節(jié)點包括感知節(jié)點和執(zhí)行單元。感知節(jié)點負責(zé)采集冷卻塔運行參數(shù)信息、環(huán)境參數(shù)信息和電參數(shù)信息；執(zhí)行單元接收用戶端發(fā)出的指令后，對冷卻塔的執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)控，主要通過變頻調(diào)節(jié)實現(xiàn)風(fēng)機和水泵的控制。

冷卻塔處于較惡劣的環(huán)境，通常需要與風(fēng)機、水泵控制室分開布置。為提高監(jiān)控裝置現(xiàn)場布設(shè)的靈活性，將感知節(jié)點（各類傳感器及其處理器）和執(zhí)行單元分開布置。感知節(jié)點硬件架構(gòu)如圖2所示。各模塊作用如表1所示。

表1　感知節(jié)點各模塊作用

圖2　感知節(jié)點硬件架構(gòu)[3]

2.2　監(jiān)控節(jié)點自組網(wǎng)設(shè)計

本文采用LM400T工業(yè)級LoRa組網(wǎng)透傳模塊，模塊通過透明傳輸協(xié)議傳輸，借助其自組網(wǎng)功能，無需復(fù)雜無線傳輸協(xié)議[14]，即可一鍵搭建監(jiān)控節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。自組網(wǎng)功能命令如表2所示。

表2　自組網(wǎng)功能命令

模塊自組網(wǎng)功能默認關(guān)閉，當(dāng)自組網(wǎng)使能字節(jié)設(shè)置為1后，模塊將打開自組網(wǎng)功能。節(jié)點類型0和1分別表示該節(jié)點為主監(jiān)控節(jié)點和從監(jiān)控節(jié)點。

自組網(wǎng)功能激活后，建立一主多從的星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，主監(jiān)控節(jié)點自動選擇周圍未被占用的物理信道和調(diào)制參數(shù)，形成獨立網(wǎng)絡(luò)，并自動給每個從監(jiān)控節(jié)點分配一個唯一的本地網(wǎng)絡(luò)地址，使其能夠加入網(wǎng)絡(luò)與主監(jiān)控節(jié)點通訊。

2.3　監(jiān)控中心界面設(shè)計

基于LoRa技術(shù)的冷卻塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計關(guān)鍵是監(jiān)控中心軟件平臺。監(jiān)控中心是連接監(jiān)控節(jié)點與用戶之間的橋梁，其設(shè)計的合理性直接影響用戶操作的便捷性體驗。如圖3所示，監(jiān)控中心軟件平臺界面有設(shè)計參數(shù)模塊、實時監(jiān)控參數(shù)模塊、運行曲線與圖表繪制模塊以及節(jié)點管理模塊。平臺管理人員可通過自搜索功能添加監(jiān)控節(jié)點，實現(xiàn)多個冷卻塔的集中管理。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本文設(shè)計的基于LoRa技術(shù)的冷卻塔自組網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在某地鐵站的3臺冷卻塔進行實際現(xiàn)場試點應(yīng)用，經(jīng)應(yīng)用驗證表明：該系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點現(xiàn)場布設(shè)靈活、操作便捷，有效減輕維護人員工作量，提高工作效率。

4　結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于LoRa技術(shù)的冷卻塔自組網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括：

1）對監(jiān)控節(jié)點進行硬件設(shè)計，實現(xiàn)冷卻塔參數(shù)的準(zhǔn)確采集；

圖3　監(jiān)控中心平臺界面

2）采用低功耗的LoRa無線通信模塊實現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點的自組網(wǎng)及其監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠距離無線傳輸?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)解決了冷卻塔的組網(wǎng)化集中管理需求，可滿足客戶的監(jiān)控要求。

[1] Grobbelaar P J, Reuter H C R, Bertrand T P. Performance characteristics of a trickle fill in cross and counter-flow configuration in a wet-cooling tower [J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1):475-484.

[2] 施曉寬.大型冷卻塔風(fēng)機遠程監(jiān)控及節(jié)能控制系統(tǒng)研究[D]. 天津:天津科技大學(xué),2013.

[3] 劉桂雄,葉季衡.一種冷卻塔熱力性能評估方法及系統(tǒng):中國,CN103293013A[P].2013-09-11.

[4] 劉文浩.基于CFD逆流濕式冷卻塔熱力性能監(jiān)控系統(tǒng)與遠程監(jiān)控平臺[D].廣州:華南理工大學(xué),2016.

[5] 劉桂雄,葉季衡,肖若,等.冷卻塔熱力性能在線監(jiān)測裝置及系統(tǒng)研制[J].中國測試,2013,39(4):64-68.

[6] 葉季衡.濕式冷卻塔熱力性能在線監(jiān)測儀與遠程監(jiān)控平臺研制[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

[7] 劉桂雄,劉文浩,洪曉斌,等.基于TBVMC 濕式冷卻塔熱力性能快速評估方法[J].中國測試,2014,40(6):1-5.

[8] 譚小衛(wèi),劉文浩,劉桂雄,等.TBVMC的冷卻塔熱力性能優(yōu)化控制方法[J].中國測試,2017,43(1):112-115.

[9] 譚承恒,廖志賢,石佳怡,等.基于Lora通信的太陽能路燈控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2019(14):78-79.

[10] 費祥,張梅.基于LoRa的溫濕度監(jiān)測節(jié)點設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2019,9(3):34-36.

[11] 張敏,周治平.基于LoRa的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2019,38(7):95-98.

[12] ALO?S A, YI J, THOMAS C, et al. A study of LoRa: long range & low power networks for the internet of things[J]. Sensors, 2016,16(9):1466.

[13] Kim D Y, Kim S, Hassan H, et al. Adaptive Data Rate Contral In Low Power Wide Area Networks for Long Ranger IOT Services [J]. Journal of Computational Science, 2017, 22(22): 172-178.

[14] 陳欣宇.基于LoRa外設(shè)的智能終端移動自組網(wǎng)技術(shù)研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2019.

Cooling Tower Self-Organized Network Remote Monitoring System Based on LoRa Technology

Jiang Weichong1Huang Zujian1Tan Xiaowei2Deng Weijun2

(1. Guangdong Sinro Air-conditioning Technology Co., Ltd. 2. SINRO Air-Conditioning (Fogang) Co., Ltd.)

In order to meet the needs of real-time cooling, networking and remote monitoring of cooling towers, a remote monitoring system for cooling tower self-organizing network based on LoRa technology is designed. LoRa technology is used to realize remote networking communication of cooling towers, which reduces monitoring costs. Compared with the traditional cooling tower monitoring device, it has the advantages of flexible layout, strong signal penetration capability, low power consumption and low cost, and has a good promotion prospect.

Cooling Tower; LoRa; Internet of Things; Remote Monitoring

江偉沖，男，1982年生，?？疲こ處?，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。E-mail: jwc@sinro.com

黃祖健，男，1962年生，高中，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。

譚小衛(wèi)，女，1971年生，本科，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。

鄧偉軍，男，1978年生，?？?，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節(jié)能控制技術(shù)。

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0704100）