CN109883513A - 一种基于LoRa的液位遥测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于LoRa的液位遥测系统及方法，该液位遥测系统包括感知层、传输层以及应用层，感知层包括若干压力传感器和若干终端处理盒，若干压力传感器分别通过信号电缆与若干终端处理盒连接；传输层包括若干网关和交换机，若干终端处理盒均将无线信号传输至若干网关，若干网关将无线信号传输至交换机；应用层包括工程师站和远程监控工作站，交换机通过无线连接技术与工程师站和远程监控工作站连接。本发明提供的基于LoRa的液位遥测系统，组态方便灵活，适用于船舶交付后的后装市场；系统配置精简，省去了现场信号采集分站，降低了空间需求；系统线缆需求量少，减少了对于电缆支承件和电缆通道的需求，提高了信号的抗电磁干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LoRa的液位遥测系统及方法，尤其涉及一种基于LoRa的液位遥测系统及方法。
背景技术
当前主流的液位遥测系统采用基于PLC技术的有线连接的分布式信号采集方案，该方案是通过测量水的液位与设定的液位值进行比较，然后通过PID控制器输出模拟信号线性控制容积泵变频器的频率，来控制注入水的流速，从而精确控制水的液位高度，但目前测量在实际应用过程中，主要存在以下问题：线缆开销大，现场的液位传感器与信号采集单元之间空间距离较远，系统有较大的线缆需求；线缆敷设困难，由于船体内部舱室多，结构复杂，线缆走行通道选择困难，对于部分结构的穿越，还需额外提供结构强度补偿措施；电磁干扰，信号电缆与动力电缆长距离伴行，极易导致模拟信号产生畸变，影响液位测量精度。
综上，现有的液位遥测系统普遍存在以下问题：(1)系统有较大的线缆需求；(2)线缆敷设困难(3)电磁干扰，信号电缆与动力电缆长距离伴行，极易导致模拟信号产生畸变。
因此，针对现有的液位遥测系统有较大的线缆需求、线缆敷设困难以及电磁干扰，信号电缆与动力电缆长距离伴行，极易导致模拟信号产生畸变等问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为解决现有的液位遥测系统线缆敷设困难、存在电磁干扰以及容易模拟信号产生畸变等问题，提供了基于LoRa的液位遥测系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供了一种基于LoRa的液位遥测系统，包括感知层、传输层以及应用层，所述感知层包括若干压力传感器和若干终端处理盒，若干所述压力传感器分别通过信号电缆与若干所述终端处理盒连接；所述传输层包括若干网关和交换机，若干所述终端处理盒均将无线信号传输至若干所述网关，若干所述网关将无线信号传输至所述交换机；所述应用层包括工程师站和远程监控工作站，所述交换机通过无线连接技术与所述工程师站和所述远程监控工作站连接。
进一步地，所述终端处理盒包括电源模块、LoRa终端模块、MCU模块以及压力变送器，所述电源模块通过导线与所述LoRa终端模块和MCU模块连接，所述MCU模块通过导线与所述压力变送器连接。
进一步地，所述电源模块为锂电池或外接电源。
进一步地，所述压力传感器为压电式压力传感器或压阻式压力传感器或陶瓷压力传感器。
进一步地，若干所述终端处理盒通过无线信号与信号中续器连接，所述信号中续器通过无线信号与交换机的若干网关连接。
进一步地，所述LoRa终端模块的无线信号发射功率为5-20dBw。
进一步地，所述MCU模块包括模数转换器。
本发明的第二个方面是提供了一种基于LoRa的液位遥测系统的液位遥测方法，包括以下步骤：
步骤一、液位传感器将获取的原始信号送至所述压力变送器，经过所述压力变送器标准化处理后输出标准电压信号并将其传输至所述MCU模块；
步骤二、通过所述MCU模块的模数转换器对步骤一中的所述电压信号进行采样、量化和编码，形成数字信号，将数字信号传输至所述LoRa终端模块，将数字信号调制后通过无线信道发送给若干所述网关；
步骤三、信号由若干所述网关接收后进行解调，解调后的信号再转换成支持TCP/IP协议的数据发送给所述工程师站和监控工作站用于显示和报警，所述工程师站工程师站提供人机交互界面，可以对接收到的数据进行分析处理和后台存储；
步骤四、所述工程师站将设定、优化后的指令通过所述交换机送至若干网关，再由若干网关通过无线通信链路传输至指定的所述终端处理盒，所述终端处理盒接收到信号后，执行指定命令。
进一步地，步骤二中通过所述MCU模块的模数转换器对步骤一中的所述电压信号进行采样、量化和编码，形成数字信号后，将所述数字信号与最近一次采样形成的数字信号进行差运算，得到差值后与设定的门限值进行比较，如结果超出设定的门限值，则将此信号存入缓存并传输至所述LoRa终端模块，调制后将无线信号发送给LoRa网关，若得到差值未超出设定的门限值，则将此数据存入缓存。
进一步地，步骤一中所述压力变送器标准化处理后输出1～5V标准电压信号并将其传输至所述MCU模块。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)系统组态方便灵活，非常适用于船舶交付后的后装市场；
(2)系统配置精简，省去了现场信号采集分站，降低了空间需求；
(3)系统线缆需求量少，只要求敷设少量的电源线以及网络线；
(4)系统减少了对于电缆支承件以及电缆通道的需求；
(5)系统提高了信号的抗电磁干扰能力。
附图说明
图1为本发明基于LoRa的液位遥测系统的连接结构示意图；
图2为本发明基于LoRa的液位遥测系统中终端处理盒的结构示意图；
图3为本发明基于LoRa的液位遥测方法中信号上行的工作流程图；
图4为本发明基于LoRa的液位遥测方法中信号下行的工作流程图
其中，各附图标记为：
1-压力传感器，2-终端处理盒，21-电源模块，22-LoRa终端模块，23-MCU模块，24-压力变送器，3-网关，4-交换机，5-工程师站，6-监控工作站。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于LoRa的液位遥测系统，包括感知层、传输层以及应用层，所述感知层包括若干压力传感器1和若干终端处理盒2，若干所述压力传感器1分别通过信号电缆与若干所述终端处理盒2连接；所述传输层包括若干网关3和交换机4，若干所述终端处理盒2均将无线信号传输至若干所述网关3，若干所述网关3将无线信号传输至所述交换机4；所述应用层包括工程师站5和远程监控工作站6，所述交换机4通过无线连接技术与所述工程师站5和所述远程监控工作站6连接，工程师站5被系统赋予最高级权限，获得授权的船员可以设定现场级设备的工作模式，远程唤醒设备，根据需要请求特定油水舱的液位数据，分析现场设备的工作状态和电源(电池)的供电状态。工程师站6设有历史数据库。远程监控工作站显示液位值和报警信息，同时可以发送数据刷新请求给工程师站6。
本实施例的一方面，如图2所示，终端处理盒2包括电源模块21、LoRa终端模块22、MCU模块23以及压力变送器24，电源模块21通过导线与LoRa终端模块22和MCU模块23连接，MCU模块23通过导线与压力变送器24连接，对于危险区域的应用，可以将终端处理盒2设计为隔爆型，同时降低发射功率，使之满足防爆要求.，同时压力变送器24优选为电压输出型，压力变送器24除了具有常规的信号转换功能外，还应具备快速启动和响应能力，为了匹配LoRa的低功耗特征，压力变送器24可工作在休眠模式，支持周期性唤醒或远程唤醒。
本实施例的一方面，如图2所示，电源模块21为锂电池或外接电源，当电源模块21采用锂电池供电，每个终端处理盒2自我维持电源供应，电池容量按照各元器件功耗，工作模式，持续工作时间确定；当电源模块21采用总线制供电，若干个终端处理盒2从同一条馈电回路取电，对于分布较为集中的终端盒可采用总线供电，对于零散分布，敷缆又较为困难的终端盒可选择锂电池供电。
本实施例的一方面，如图1所示，压力传感器1为压电式压力传感器或压阻式压力传感器或陶瓷压力传感器。
本实施例的一方面，如图1所示，若干终端处理盒2通过无线信号与信号中续器7连接，信号中续器7通过无线信号与交换机4的若干网关3连接，对于个别可能存在的信号微弱区域，采用中继补盲方式解决。
本实施例的一方面，如图2所示，LoRa终端模块22的无线信号发射功率为5-20dBw，LoRa终端模块22典型发射功率5～20dBw，可以根据船体结构和信号空间分布进行调整，芯片的接收灵敏度可达-148dBw，整个无线通信链路具有较强的抗干扰能力。终端的发射频率可以根据船舶运行所处的工况进行设定，如在压载工况下，压载水舱液位变动较快，此时可以适当加大发射频率。
本实施例的一方面，如图2所示，MCU模块23包括模数转换器。
如图3-4所示，本发明实施例根据上述液位遥测系统提供了一种基于LoRa的液位遥测方法，包括以下步骤：
步骤一、液位传感器将获取的原始信号送至压力变送器24，经过压力变送器24标准化处理后输出标准电压信号并将其传输至MCU模块23；
步骤二、通过MCU模块23的模数转换器对步骤一中的电压信号进行采样、量化和编码，形成数字信号，将数字信号传输至LoRa终端模块22，将数字信号调制后通过无线信道发送给若干网关3；
步骤三、信号由若干网关3接收后进行解调，解调后的信号再转换成支持TCP/IP协议的数据发送给工程师站5和监控工作站6用于显示和报警，工程师站工程师站5提供人机交互界面，可以对接收到的数据进行分析处理和后台存储；
步骤四、工程师站5将设定、优化后的指令通过交换机4送至若干网关3，再由若干网关3通过无线通信链路传输至指定的终端处理盒2，终端处理盒2接收到信号后，执行指定命令。
本实施例的一方面，如图3-4所示，步骤二中通过MCU模块23的模数转换器对步骤一中的电压信号进行采样、量化和编码，形成数字信号后，将数字信号与最近一次采样形成的数字信号进行差运算，得到差值后与设定的门限值进行比较，如结果超出设定的门限值，则将此信号存入缓存并传输至LoRa终端模块22，调制后将无线信号发送给LoRa网关，若得到差值未超出设定的门限值，则将此数据存入缓存。
本实施例的一方面，如图3-4所示，步骤一中压力变送器24标准化处理后输出1～5V标准电压信号并将其传输至MCU模块23。
本发明针对现有的液位遥测系统有较大的线缆需求、线缆敷设困难以及电磁干扰，信号电缆与动力电缆长距离伴行，极易导致模拟信号产生畸变等问题，本发明的系统组态方便灵活，非常适用于船舶交付后的后装市场；系统配置精简，省去了现场信号采集分站，降低了空间需求；系统线缆需求量少，只要求敷设少量的电源线以及网络线；系统减少了对于电缆支承件以及电缆通道的需求；系统提高了信号的抗电磁干扰能力。
以上对本实用基于LoRa的液位遥测系统及方法的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，包括感知层、传输层以及应用层，所述感知层包括若干压力传感器(1)和若干终端处理盒(2)，若干所述压力传感器(1)分别通过信号电缆与若干所述终端处理盒(2)连接；所述传输层包括若干网关(3)和交换机(4)，若干所述终端处理盒(2)均将无线信号传输至若干所述网关(3)，若干所述网关(3)将无线信号传输至所述交换机(4)；所述应用层包括工程师站(5)和远程监控工作站(6)，所述交换机(4)通过无线连接技术与所述工程师站(5)和所述远程监控工作站(6)连接。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，所述终端处理盒(2)包括电源模块(21)、LoRa终端模块(22)、MCU模块(23)以及压力变送器(24)，所述电源模块(21)通过导线与所述LoRa终端模块(22)和MCU模块(23)连接，所述MCU模块(23)通过导线与所述压力变送器(24)连接。
3.根据权利要求2所述的基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，所述电源模块(21)为锂电池或外接电源。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，所述压力传感器(1)为压电式压力传感器或压阻式压力传感器或陶瓷压力传感器。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，若干所述终端处理盒(2)通过无线连接技术与信号中续器(7)连接，所述信号中续器(7)通过无线连接技术与交换机(4)的若干网关(3)连接。
6.根据权利要求2所述的基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，所述LoRa终端模块(22)的无线连接技术发射功率为5-20dBw。
7.根据权利要求2所述的基于LoRa的液位遥测系统，其特征在于，所述MCU模块(23)包括模数转换器。
8.一种如权利要求1-7任一项所述基于LoRa的液位遥测系统的液位遥测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、液位传感器将获取的原始信号送至所述压力变送器(24)，经过所述压力变送器(24)标准化处理后输出标准电压信号并将其传输至所述MCU模块(23)；
步骤二、通过所述MCU模块(23)的模数转换器对步骤一中的所述电压信号进行采样、量化和编码，形成数字信号，将数字信号传输至所述LoRa终端模块(22)，将数字信号调制后通过无线信道发送给若干所述网关(3)；
步骤三、信号由若干所述网关(3)接收后进行解调，解调后的信号再转换成支持TCP/IP协议的数据发送给所述工程师站(5)和监控工作站(6)用于显示和报警，所述工程师站工程师站(5)提供人机交互界面，可以对接收到的数据进行分析处理和后台存储；
步骤四、所述工程师站(5)将设定、优化后的指令通过所述交换机(4)送至若干网关(3)，再由若干网关(3)通过无线通信链路传输至指定的所述终端处理盒(2)，所述终端处理盒(2)接收到信号后，执行指定命令。
9.根据权利要求8所述的液位遥测方法，其特征在于，步骤二中通过所述MCU模块(23)的模数转换器对步骤一中的所述电压信号进行采样、量化和编码，形成数字信号后，将所述数字信号与最近一次采样形成的数字信号进行差运算，得到差值后与设定的门限值进行比较，如结果超出设定的门限值，则将此信号存入缓存并传输至所述LoRa终端模块(22)，调制后将无线连接技术发送给LoRa网关，若得到差值未超出设定的门限值，则将此数据存入缓存。
10.根据权利要求8所述的液位遥测方法，其特征在于，步骤一中所述压力变送器(24)标准化处理后输出1～5V标准电压信号并将其传输至所述MCU模块(23)。
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|---|---|---|---|---|
| CN112905958A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-04 | 南京国电南自电网自动化有限公司 | 基于测控装置的短时数据窗遥测数据状态辨识方法及系统 |
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| CN112905958B (zh) * | 2021-01-27 | 2024-04-19 | 南京国电南自电网自动化有限公司 | 基于测控装置的短时数据窗遥测数据状态辨识方法及系统 |
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