【IoT应用创新大赛】LoRaWAN在工业互联网中的应用

原创

Zach_iot

修改于 2020-04-23 11:21:12

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文章被收录于专栏：腾讯云IoT腾讯云IoT

视频内容

1、选题背景

工业互联网，是智能制造发展的基础，可以提供共性的基础设施和能力；我国已经将工业互联网作为重要基础设施，为工业智能化提供支撑。

国内智能制造选择是一条“中间路线”，将工业互联网作为重要基础设施，为工业智能化提供支撑。在国内这种道路选择中，工业互联网可能发挥更大的作用。

一方面，国内有着较强的工业制造能力，产业门类齐全，产业链完整，大量的工厂、车间和生产线具备网联化的潜力，但是自动化水平同德国相差较大。

另一方面，国内物联网、人

工智能、云计算、移动互联、大数据等技术在迅速发展，工业互联网同国际水平的差距，明显小于传统的自动化、数控领域。

因此，在智能制造体系中，智慧工厂、智慧车间、智慧产线国内也会重点做，但是其中会加大工业互联网技术的应用，充分利用国内信息化的优势，弥补在自动化等传统领域的短板。

利用工业互联网平台，企业能迅速调整供应链，及早转产、复产；即便很多员工无法返岗，智能互联工厂也能正常运转，100%按时完成订单任务；设备维护不会受到交通管制影响，远程诊断基本解决问题……

现实是最好的教科书。越来越多的制造业企业意识到工业互联网已不再是可有可无的“噱头”，而是发展进程中不可或缺的必由之路。

2、方案设计

本方案使用LoRaWAN网络将工业现场中的控制器、电表、以及环境传感器数据上云；实现远程监控、控制功能；在工业现场中，因为大部分设备都是使用的Modbus、CAN总线协议，所以本方案中使用Modbus协议的采集链路；通过Modbus读取工业设备中的数据，然后将数据通过LoRaWAN发送到云端，然后通过小程序进行展示、并且可以通过小程序实现对机电设备的启停、开关机等功能，系统框架如下：

3、硬件设计

下图是我们本次使用的硬件环境，我们使用三种类型的板子进行开发，绿色的板子是我们自己设计的一个Lora的节点，使用SPI驱动的；本次实训我们直接使用板载的温湿度传感器进行环境数据采集，然后通过串口外接串口转485对Modbus设备进行数据采集：

由于我们没办法去工业现场连接真正的Modbus-RTU设备，我们这里使用Modbus Slave软件进行模拟；模拟部分如下：

我们能够看见，我这里一共模拟了四个设备，期间从站地址1的设备包含了03功能码的保持寄存器、以及01功能码的线圈状态；地址2是我们的电表；地址3压力传感器；地址4是流量计；我们通过节点驱动Modbus来对各个数据进行采集。

我这里使用的SPI驱动的Lora板子原理图如下，需要注意的是，我没用直接使用semtech公司的SX127X\SX126X芯片，而是使用的安信可的Ra-01，这里也是直接使用的SPI驱动，原理图如下图所示：

PCBA的3D视图如下图所示：

安信可 LoRa 系列模块是安信可科技基于 SX1278 设计开发的，主要采用LoRa™远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。借助 SEMTECH 的 LoRa™ 专利调制技术，SX1278 具有超过 -148dBm 的高灵敏度，+18dBm 的功率输出，传输距离远，可靠性高。同时，相对传统调制技术，LoRa™ 调制技术在抗阻塞和选择方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题。Ra-01如下图所示：

4、软件设计

4.1 LoraWAN驱动程序设计

关于LoraWAN的驱动程序部分，我们这里一共分为两种类别，一种是使用AT指令进行驱动的LoraWAN模组，另一种是直接驱动SPI的Lora芯片进行通讯的；关于驱动部分我们只做简单讲述，后期有时间了之后我会考虑详细讲述下关于使用SPI驱动Lora芯片的移植方法；我们直接在假设我们已经移植好了LoraWAN协议的情况下，根据我们网关的实际情况来进行修改；

网关配置如：

我们能够看见我们网关的八个信道，对应的，我们也需要将我们的Lora节点设置到对应的信道，我们首先找到RegionCN470.c,然后找到RegionCN470InitDefaults函数，我们添加一个数组用来存放频段，然后根据信道计算出我们设置的每个频段的信号号，将我们对应的频段设置号，在设置信道前，我们首先需要将所有信道屏蔽掉，设置完成后函数如下：

1.uint32_t UserFreq[8]={486300000,486500000,486700000,486900000,487100000,487300000,487300000,487700000};  
2. 
3.void RegionCN470InitDefaults( InitDefaultsParams_t* params )  
4.{  
5.    Band_t bands[CN470_MAX_NB_BANDS] =  
6.    {  
7.        CN470_BAND0  
8.    };  
9. 
10. switch( params->Type )  
11.    {  
12. case INIT_TYPE_INIT:  
13.        {  
14. // Initialize bands 
15.            memcpy1( ( uint8_t* )NvmCtx.Bands, ( uint8_t* )bands, sizeof( Band_t ) * CN470_MAX_NB_BANDS );  
16. 
17. // Channels 
18. // 125 kHz channels 
19.//            for( uint8_t i = 0; i < CN470_MAX_NB_CHANNELS; i++ ) 
20.//            { 
21.//                NvmCtx.Channels[i].Frequency = 470300000 + i * 200000; 
22.//                NvmCtx.Channels[i].DrRange.Value = ( DR_5 << 4 ) | DR_0; 
23.//                NvmCtx.Channels[i].Band = 0; 
24.//            } 
25. 
26.//            // Initialize the channels default mask 
27.//            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[0] = 0xFFFF; 
28.//            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[1] = 0xFFFF; 
29.//            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[2] = 0xFFFF; 
30.//            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[3] = 0xFFFF; 
31.//            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[4] = 0xFFFF; 
32.//            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[5] = 0xFFFF; 
33.            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[0] = 0x0000;  
34.            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[1] = 0x0000;  
35.            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[2] = 0x0000;  
36.            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[3] = 0x0000;  
37.            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[4] = 0x0000;  
38.            NvmCtx.ChannelsDefaultMask[5] = 0x0000;  
39. 
40. for( uint8_t i = 0,j=0; i < 8; i++ )  
41.            {  
42.                j=(UserFreq[i]-470300000 )/200000;//计算信道号 
43. 
44.                NvmCtx.Channels[j].Frequency= UserFreq[i] ;  
45.                NvmCtx.Channels[j].DrRange.Value=( DR_5 << 4 ) | DR_0;   
46.                NvmCtx.Channels[j].Band = 0;  
47. 
48.                NvmCtx.ChannelsDefaultMask[j/16]|=1<<(j%16);//相应的信道掩码位设置为1 
49.            }  
50. 
51. // Update the channels mask 
52.            RegionCommonChanMaskCopy( NvmCtx.ChannelsMask, NvmCtx.ChannelsDefaultMask, 6 );  
53. break;  
54.        }  
55. case INIT_TYPE_RESTORE_CTX:  
56.        {  
57. if( params->NvmCtx != 0 )  
58.            {  
59.                memcpy1( (uint8_t*) &NvmCtx, (uint8_t*) params->NvmCtx, sizeof( NvmCtx ) );  
60.            }  
61. break;  
62.        }  
63. case INIT_TYPE_RESTORE_DEFAULT_CHANNELS:  
64.        {  
65. // Restore channels default mask 
66.            RegionCommonChanMaskCopy( NvmCtx.ChannelsMask, NvmCtx.ChannelsDefaultMask, 6 );  
67. break;  
68.        }  
69. default:  
70.        {  
71. break;  
72.        }  
73.    }  
74.}

我们在入网前还需要确定好使用的入网方式以及设备ID、密钥等相关参数，进入到Commissioning.h中进行设置，我这里使用的是APB的入网方式，所以我们直接把空中激活的宏OVER_THE_AIR_ACTIVATION设置为0，以及设置为将DEV_EUI设置为静态，完成之后我们需要填写LORAWAN_DEVICE_EUI、LORAWAN_APP_KEY、LORAWAN_NWK_KEY、LORAWAN_DEVICE_ADDRESS这几个参数。

我们使用AT的模组时也要使用APB方式入网，同样的需要将上面的第四个参数填写完成。

4.2 LoraWAN应用程序编写

关于应用层，我们使用的SPI或者AT命令驱动都是一样的，我这里直接创建一个了个Modbus采集的任务，函数如下：

1.void modbus_app(void *arg)  
2.{  
3.    ModbusMaster_begin();  
4.    MX_USART3_UART_Init();  
5.    comm.SlaveID = 0x01;            //Modbus从设备地址 
6.    comm.u16ReadAddress = 0x00;     //读取地址 
7.    comm.u16ReadQty = 8;             //读线圈数量 
8.    comm.u8MBFunction = 0x03;       //功能字 
9. while(1){  
10. //读PLC 保持寄存器数据 地址2：运行状态 
11.        comm.SlaveID = 0x01;            //Modbus从设备地址 
12.        comm.u16ReadAddress = 0x02;     //读取地址 
13.        comm.u16ReadQty = 1;             //读线圈数量 
14.        comm.u8MBFunction = 0x03;       //功能字 
15. if(ModBusMasterCommunication(comm) == 0x00) {  
16.            dev_data_wrapper.u.dev_data.runState = ModbusMaster_getResponseBuffer(0);  
17.            printf("Read 01 03:%d\r\n", dev_data_wrapper.u.dev_data.runState );  
18.        }  
19. //读电表数据 地址1-6 
20.        comm.SlaveID = 0x02;  
21.        comm.u8MBFunction = 0x03;  
22.        comm.u16ReadQty = 6;  
23.        comm.u16ReadAddress = 0x01;  
24. if(ModBusMasterCommunication(comm) == 0x00) {  
25.            dev_data_wrapper.u.dev_data.A_Voltage = ModbusMaster_getResponseBuffer(0);  
26.            dev_data_wrapper.u.dev_data.B_Voltage = ModbusMaster_getResponseBuffer(1);  
27.            dev_data_wrapper.u.dev_data.C_Voltage = ModbusMaster_getResponseBuffer(2);  
28.            dev_data_wrapper.u.dev_data.A_Current = ModbusMaster_getResponseBuffer(3);  
29.            dev_data_wrapper.u.dev_data.B_Current = ModbusMaster_getResponseBuffer(4);  
30.            dev_data_wrapper.u.dev_data.C_Current = ModbusMaster_getResponseBuffer(5);  
31.            printf("电表读取成功\n");  
32.        }  
33. //读压力传感器数据 地址1 
34.        comm.SlaveID = 0x03;  
35.        comm.u8MBFunction = 0x03;  
36.        comm.u16ReadQty = 1;  
37.        comm.u16ReadAddress = 0x01;  
38. if(ModBusMasterCommunication(comm) == 0x00) {  
39.            dev_data_wrapper.u.dev_data.Pressure = ModbusMaster_getResponseBuffer(0);  
40.            printf("压力传感器读取成功\n");  
41.        }  
42. //读流量计数据 地址1 
43.        comm.SlaveID = 0x04;  
44.        comm.u8MBFunction = 0x04;  
45.        comm.u16ReadQty = 1;  
46.        comm.u16ReadAddress = 0x01;  
47. if(ModBusMasterCommunication(comm) == 0x00) {  
48.            dev_data_wrapper.u.dev_data.Flowmeter = ModbusMaster_getResponseBuffer(0);  
49.            printf("流量计读取成功\n");  
50.        }  
51.        tos_task_delay(1000);  
52.    }  
53.}

我这里封装了一下采集程序的结构体，我们直接设置结构体中的对应的值进能够实现对Modbus的读写命令了。结构体结构如下图所示：

由于篇幅有限，我们就不对Modbu做过多讲解，我们设置好结构体之后我们使用ModBusMasterCommunication函数进行读写即可，当返回值为0x00即表示读写成功，然后通过ModbusMaster_getResponseBuffer读取对应数值的数据即可；

Lora上报数据的结构体如下图所示：

我们使用另一个任务定时发送Lora数据，如下图所示：

1.void application_entry(void *arg)  
2.{  
3.    rhf76_lora_init(HAL_UART_PORT_0);  
4.    tos_lora_module_recvcb_register(recv_callback);  
5.    rhf76_join_abp("XXX", "XXX","XXX","XXX");  
6. 
7.    (void)tos_task_create(&task_modbus, "task_prio5", modbus_app,  
8.                  NULL, 0,  
9.                  stack_task_modbus, STK_SIZE_TASK_MODBUS, 0);  
10. while (1) {  
11.        E53_IA1_Read_Data();  
12.        printf("Lux:%f,Humi:%f,Temp:%f,Motor:%d,Light:%d", E53_IA1_Data.Lux,E53_IA1_Data.Humidity,E53_IA1_Data.Temperature,E53_IA1_Data.MotorMode,E53_IA1_Data.LightMode);  
13. 
14.        dev_data_wrapper.u.dev_data.temperature = E53_IA1_Data.Temperature;  
15.        dev_data_wrapper.u.dev_data.humidity    = E53_IA1_Data.Humidity;  
16.        dev_data_wrapper.u.dev_data.period      = report_period;  
17. 
18.        tos_lora_module_send(dev_data_wrapper.u.serialize, sizeof(dev_data_t));  
19.        tos_task_delay(report_period * 1000);  
20.    }  
21.}  
rhf76_join_abp中传入的数据是我们前面说的那四个参数；
Lora的接收回调函数如下所示：
1.void recv_callback(uint8_t *data, uint8_t len)  
2.{  
3. int i = 0;  
4. 
5.    printf("len: %d\n", len);  
6. 
7. for (i = 0; i < len; ++i) {  
8.        printf("data[%d]: %d\n", i, data[i]);  
9.    }  
10. 
11. if(data[0] != 0 | data[1] != 0 )  
12.        report_period = data[0] | (data[1] << 8);  
13. if(data[2] != 0 | data[3] != 0 )  
14.        runState = data[2] | (data[3] << 8);  
15. if(data[4] != 0)  
16.        runFlag = data[4];  
17.    printf("report_period: %d runState: %d,runFlag: %d\n", report_period,runState,runFlag);  
18.    comm.u16WriteAddress = 0x07;  
19.    comm.u8MBFunction = 0x06;  
20.    comm.u16WriteValue = runState;  
21. if(ModBusMasterCommunication(comm) == 0x00) {  
22.        printf("write data sucess");  
23.    }  
24. if(runFlag == 1)  
25.        light_control(1);  
26. else if(runFlag == 2)  
27.        light_control(0);  
28.}

我们这里直接将运行状态同通过06功能码写入到对应位置。

4.3 腾讯物联网平台配置

上面我们说了关于Lora数据的结构体以及下发的解析程序，我们来到腾讯物联网平台创建好对应的产品，然后将我们定义的传感器数据在云端定义好，最后就是解析部分，上行解析代码如下：

1.function RawToProtocol(fPort, bytes) {  
2.    var data = {  
3. "method": "report",  
4. "clientToken" : new Date(),  
5. "params" : {}  
6.    };  
7.    data.params.temperature = bytes[0];  
8.    data.params.humidity = bytes[1];  
9.    data.params.period = bytes[2] | (bytes[3] << 8);  
10.    data.params.runState = bytes[4];  
11.    data.params.Pressure = bytes[5] | (bytes[6] << 8);  
12.    data.params.A_Voltage = bytes[7] | (bytes[8] << 8);  
13.    data.params.B_Voltage = bytes[9] | (bytes[10] << 8);  
14.    data.params.C_Voltage = bytes[11] | (bytes[12] << 8);  
15.    data.params.A_Current = bytes[13];  
16.    data.params.B_Current = bytes[14];  
17.    data.params.C_Current = bytes[15];  
18.    data.params.Flowmeter = bytes[16] | (bytes[17] << 8);  
19. return data;  
20.}

下行解析代码如下：

1.function ProtocolToRaw(obj) {  
2.    var data = new Array();  
3.    data[0] = 5;// fport=5 
4.    data[1] = 0;// unconfirmed mode 
5.    data[2] = obj.params.period & 0x00FF;  
6.    data[3] = (obj.params.period >> 8) & 0x00FF;  
7.    data[4] = obj.params.runState & 0x00FF;  
8.    data[5] = (obj.params.runState >> 8) & 0x00FF;  
9.    data[6] = obj.params.runFlag?1:2;  
10. return data;  
11.}

最后我们布局好小程序，然后给设备上电，我们就能够在云端看见我们的设备采集上来的数据，可以在云端对设别进行控制了。