技術領域
本發明涉及風機控制領域，具體涉及一種基于LoRa技術的FFU群控系統。
背景技術
FFU（風機過濾機組）被廣泛應用于潔凈車間的空氣凈化。FFU群控系統，是指通過一個軟件來控制所有風機的運轉情況，一般至少包括定時開關、速度控制、故障報警、能耗監控等功能。FFU群控系統一般由FFU控制器、通訊設備、群控服務器構成?，F有的群控系統，比較常見的網絡拓撲結構采用485總線加串口服務器的二層結構。這種系統在實施時面臨如下兩個問題：
（1）這些項目施工時，需要將各個控制器與串口服務器通過485連接起來，再將串口服務器連接與群控服務器連接到同一個網絡。這種網絡結構，施工時面臨大量的電氣線路連接工作，維護起來工作量也很大。
（2）根據RS485標準，一條485總線最多連接32個設備，也就是說串口服務器的一個485接口只能連接31個設備。因此對于上萬臺FFU的大型系統，就需要大量的串口服務器。而工業級串口服務器的價格較高，大量的串口服務器推高了系統的成本。
發明內容
針對上述存在的問題，本發明提出一種基于LoRa技術的FFU群控系統，采用LoRa網絡取代傳統的485網絡，從而大大減少了大型FFU控制系統的建設施工工作量，同時也相應減少了后期維修維護的工作量。
一種基于LoRa技術的FFU群控系統，其特征在于：
本系統由FFU及FFU控制器、LoRa網關和FFU群控服務器構成；
所述FFU控制器控制FFU電機的運行并收發相關運行信息，所述FFU控制器的硬件電路主要包含四部分，電源部分、通信部分、MCU部分和電機驅動部分；
所述FFU群控服務器控制和診斷所有的FFU的運行；
所述LoRa網關作為通訊中介，負責FFU群控服務器與FFU控制器之間的消息傳遞。
進一步地，一臺FFU群控服務器和多臺LoRa網關通過局域網相連，LoRa網關的數量取決于系統規模。
進一步地，FFU控制器中的電源部分將220VAC的市電轉化為直流電供各個部分使用，包括一個整流濾波電路和兩個開關電源模塊；整流濾波電路中的整流橋采用KBPC1510全波整流，濾波電容采用450V，10000μF的電解電容，輸出300VDC左右的電壓供電機驅動部分作為直流母線；開關電源模塊選用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03，產生3.3VDC的電壓供MCU部分的單片機和通信部分使用，產生的15VDC的電壓供電機驅動部分中的IPM使用。
進一步地，FFU控制器中的通信部分選用基于SX1268芯片的億佰特E22-400T22S模塊，該模塊在本FFU控制器中作為MCU部分的單片機的收發器，與單片機之間進行UART通訊。
進一步地，FFU控制器中的MCU部分是整個控制器的核心，選用STM32F103C86T單片機。該單片機基于ARM 32-bit Cortex?-M3構架，LQFP48封裝，包括32個IO和3個UART。單片機程序主要包含電機控制和邏輯控制部分。電機控制部分包含了一套基于無速度傳感器控制技術的感應電機控制算法，用于接受控制調節輸出轉速與轉矩；邏輯部分主要是與接收與處理服務器發過來的命令，包括電機啟停、轉速調節、自我診斷。
進一步地，FFU控制器中的電機驅動由一個Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模塊以及外圍的電流采樣電路構成；該智能功率模塊接收單片機發出的PWM控制信號，控制六個內置的IGBT，驅動感應電機轉動；所述電流采樣電路采集電機三相電流信；根據基爾霍夫定律任意時刻三相電流和為零，實際只需要采集其中的兩相。
進一步地，LoRa網關與FFU群控服務器通過工業以太網連接，與FFU控制器通過無線射頻信號通訊；LoRa網關由一個主控芯片、一個以太網芯片以及一個LoRa模塊，外加電源電路以及其他輔助電路構成；以太網芯片選用江蘇沁恒的CH395Q；LoRa模塊選用億佰特的E22-400T22S模塊，負責控制命令的收發；主控芯片選用意法半導體的STM32F103C8T6單片機，用于對CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及診斷。
進一步地，所述FFU群控服務器中安裝群控軟件，對所有的FFU進行管理，所述群控軟件采用C#語言開發，數據庫采用SQL Server；主要分成配置軟件和運行軟件兩部分。
進一步地，所述配置軟件配置運行畫面和控制策略；用戶導入車間布局圖，根據實際位置在布局圖上安放FFU，完成運行畫面配置；用戶將FFU分組，根據日期、星期、時刻制定各組FFU的開關或運行速度，完成控制策略的配置。
所述運行軟件提供運行監控畫面，顯示各組FFU的運行情況，包括工作狀態以及當前轉速；對于大型FFU系統通過配置多顯示器監控多組FFU的運行情況，或通過設定時間切換顯示。
進一步地，所述群控軟件提供數據庫接口，第三方軟件可以通過該接口隨時調用各個風機的運行情況，以與其他系統相集成。
本發明的有益效果為：采用LoRa網絡取代傳統的485網絡，從而大大減少了大型FFU控制系統的建設施工工作量，同時也相應減少了后期維修維護的工作量。
附圖說明
圖1為本發明實施例中所述群控的系統結構圖。
圖2為本發明實施例中FFU控制器硬件電路框圖。
圖3為本發明實施例中FFU控制器的電源部分原理圖。
圖4為本發明實施例中FFU控制器的MCU部分原理圖。
圖5為本發明實施例中FFU控制器的電機驅動部分原理圖。
圖6為本發明實施例中FFU控制器的通信部分原理圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。
本系統由FFU控制器、LoRa網關、FFU群控服務器構成。其中FFU控制器主要負責控制電機的轉動以及收發信息；FFU群控服務器里面安裝群控軟件，負責控制和診斷所有的FFU的運行；LoRa網關作為通訊中介，負責群控服務器與控制器之間的消息傳遞。系統結構如圖1所示。在該系統中，一臺安裝了群控軟件的FFU服務器和多臺LoRa網關通過局域網相連，LoRa網關的數量取決于系統規模。一般小規模諸如幾百臺FFU的群控系統僅需1臺網關即可，大規模群控需要根據潔凈室的布局情況設計LoRa網關的數量，當FFU數量較多時一臺網關盡量不要超過連接500臺FFU控制器。本系統設計最大容量是可以控制10萬臺FFU。
FFU控制器的主要作用有兩個，一是驅動FFU電機轉動，二是負責通訊信息的收發。常見的FFU電機有感應電機和直流無刷電機，針對不同類型的電機需要設計不同的控制電路。本發明僅以感應電機為例介紹FFU控制器的設計。
FFU控制器硬件電路主要包含四部分：電源部分、通信部分、MCU部分和電機驅動部分。系統框圖如圖2所示。
其中電源部分的作用是將220VAC的市電轉化為直流電供各個部分使用。主要包括一個整流濾波電路和兩個開關電源模塊。整流濾波電路中的整流橋采用KBPC1510全波整流，濾波電容采用450V，10000μF的電解電容，輸出300VDC左右的電壓供電機驅動部分作為直流母線。開關電源模塊選用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03，產生3.3VDC的電壓供單片機和通信模塊使用，產生的15VDC的電壓供IPM使用。
通信部分選用的是億佰特的E22-400T22S模塊，該模塊是一款基于SX1268芯片的LoRa擴頻解決方案。該模塊在本控制器中作為單片機的收發器而存在，與單片機之間進行UART通訊。
MCU部分是整個控制器的核心，選用STM32F103C86T單片機。該單片機基于ARM 32-bit Cortex?-M3構架，LQFP48封裝，包括32個IO和3個UART。單片機程序主要包含電機控制和邏輯控制部分。電機控制部分包含了一套基于無速度傳感器控制技術的感應電機控制算法，用于接受控制調節輸出轉速與轉矩；邏輯部分主要是與接收與處理服務器發過來的命令，包括電機啟停、轉速調節、自我診斷等。
電機驅動部分由一個Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模塊以及外圍的電流采樣電路構成。IRAMS06UP60B是一款專為感應電機變頻調速而設計的驅動模塊，內部集成了三相IGBT逆變電路，耐壓600V，單相最大電流6A。該模塊接收單片機發出的PWM控制信號，控制六個內置的IGBT，驅動感應電機轉動。由于無速度傳感器控制算法需要采集三相電流信息，所以還設計了一個電流采樣電路，采集三相電流信號。根據基爾霍夫定律任意時刻三相電流和為零，所以實際只需要采集其中的兩相。
FFU控制器的原理圖和PCB如圖3至6所示。
LoRa網關的作用是作為FFU群控服務器與FFU控制器的消息收發中介。LoRa網關與FFU群控服務器通過工業以太網連接，與FFU控制器通過無線射頻信號通訊。LoRa網關主要由一個主控芯片、一個以太網芯片以及一個LoRa模塊，外加電源電路以及其他輔助電路構成。以太網芯片選用江蘇沁恒的CH395Q，該芯片自帶10M/100M以太網MAC層和物理層，內置了包括IP、TCP、UDP等網絡協議棧固件，單片機系統可以方便地通過該芯片進行以太網通訊。LoRa模塊仍然選用億佰特的E22-400T22S模塊，作用和在FFU控制器中一樣，負責控制命令的收發。主控芯片選用意法半導體的STM32F103C8T6單片機，用于對CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及診斷。
群控軟件主要作用是對所有的FFU進行管理，采用C#語言開發，數據庫采用SQLServer。主要分成兩部分，一是配置軟件，二是運行軟件。
配置軟件主要作用是配置運行畫面和控制策略。用戶導入車間布局圖，根據實際位置在布局圖上安放FFU，完成運行畫面配置；用戶將FFU分組，根據日期、星期、時刻制定各組FFU的開關或運行速度，完成控制策略的配置。
運行軟件主要提供運行監控畫面，顯示各組FFU的運行情況，包括狀態（運行、停止、故障、離線等）以及當前轉速。對于大型FFU系統可以通過配置多顯示器監控多組FFU的運行情況，也可以通過設定時間切換顯示。
除此以外，本軟件提供數據庫接口，第三方軟件可以通過該接口隨時調用各個風機的運行情況，便于與其他系統相集成。
以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
本發明涉及風機控制領域，具體涉及一種基于LoRa技術的FFU群控系統。
背景技術
FFU（風機過濾機組）被廣泛應用于潔凈車間的空氣凈化。FFU群控系統，是指通過一個軟件來控制所有風機的運轉情況，一般至少包括定時開關、速度控制、故障報警、能耗監控等功能。FFU群控系統一般由FFU控制器、通訊設備、群控服務器構成?，F有的群控系統，比較常見的網絡拓撲結構采用485總線加串口服務器的二層結構。這種系統在實施時面臨如下兩個問題：
（1）這些項目施工時，需要將各個控制器與串口服務器通過485連接起來，再將串口服務器連接與群控服務器連接到同一個網絡。這種網絡結構，施工時面臨大量的電氣線路連接工作，維護起來工作量也很大。
（2）根據RS485標準，一條485總線最多連接32個設備，也就是說串口服務器的一個485接口只能連接31個設備。因此對于上萬臺FFU的大型系統，就需要大量的串口服務器。而工業級串口服務器的價格較高，大量的串口服務器推高了系統的成本。
發明內容
針對上述存在的問題，本發明提出一種基于LoRa技術的FFU群控系統，采用LoRa網絡取代傳統的485網絡，從而大大減少了大型FFU控制系統的建設施工工作量，同時也相應減少了后期維修維護的工作量。
一種基于LoRa技術的FFU群控系統，其特征在于：
本系統由FFU及FFU控制器、LoRa網關和FFU群控服務器構成；
所述FFU控制器控制FFU電機的運行并收發相關運行信息，所述FFU控制器的硬件電路主要包含四部分，電源部分、通信部分、MCU部分和電機驅動部分；
所述FFU群控服務器控制和診斷所有的FFU的運行；
所述LoRa網關作為通訊中介，負責FFU群控服務器與FFU控制器之間的消息傳遞。
進一步地，一臺FFU群控服務器和多臺LoRa網關通過局域網相連，LoRa網關的數量取決于系統規模。
進一步地，FFU控制器中的電源部分將220VAC的市電轉化為直流電供各個部分使用，包括一個整流濾波電路和兩個開關電源模塊；整流濾波電路中的整流橋采用KBPC1510全波整流，濾波電容采用450V，10000μF的電解電容，輸出300VDC左右的電壓供電機驅動部分作為直流母線；開關電源模塊選用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03，產生3.3VDC的電壓供MCU部分的單片機和通信部分使用，產生的15VDC的電壓供電機驅動部分中的IPM使用。
進一步地，FFU控制器中的通信部分選用基于SX1268芯片的億佰特E22-400T22S模塊，該模塊在本FFU控制器中作為MCU部分的單片機的收發器，與單片機之間進行UART通訊。
進一步地，FFU控制器中的MCU部分是整個控制器的核心，選用STM32F103C86T單片機。該單片機基于ARM 32-bit Cortex?-M3構架，LQFP48封裝，包括32個IO和3個UART。單片機程序主要包含電機控制和邏輯控制部分。電機控制部分包含了一套基于無速度傳感器控制技術的感應電機控制算法，用于接受控制調節輸出轉速與轉矩；邏輯部分主要是與接收與處理服務器發過來的命令，包括電機啟停、轉速調節、自我診斷。
進一步地，FFU控制器中的電機驅動由一個Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模塊以及外圍的電流采樣電路構成；該智能功率模塊接收單片機發出的PWM控制信號，控制六個內置的IGBT，驅動感應電機轉動；所述電流采樣電路采集電機三相電流信；根據基爾霍夫定律任意時刻三相電流和為零，實際只需要采集其中的兩相。
進一步地，LoRa網關與FFU群控服務器通過工業以太網連接，與FFU控制器通過無線射頻信號通訊；LoRa網關由一個主控芯片、一個以太網芯片以及一個LoRa模塊，外加電源電路以及其他輔助電路構成；以太網芯片選用江蘇沁恒的CH395Q；LoRa模塊選用億佰特的E22-400T22S模塊，負責控制命令的收發；主控芯片選用意法半導體的STM32F103C8T6單片機，用于對CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及診斷。
進一步地，所述FFU群控服務器中安裝群控軟件，對所有的FFU進行管理，所述群控軟件采用C#語言開發，數據庫采用SQL Server；主要分成配置軟件和運行軟件兩部分。
進一步地，所述配置軟件配置運行畫面和控制策略；用戶導入車間布局圖，根據實際位置在布局圖上安放FFU，完成運行畫面配置；用戶將FFU分組，根據日期、星期、時刻制定各組FFU的開關或運行速度，完成控制策略的配置。
所述運行軟件提供運行監控畫面，顯示各組FFU的運行情況，包括工作狀態以及當前轉速；對于大型FFU系統通過配置多顯示器監控多組FFU的運行情況，或通過設定時間切換顯示。
進一步地，所述群控軟件提供數據庫接口，第三方軟件可以通過該接口隨時調用各個風機的運行情況，以與其他系統相集成。
本發明的有益效果為：采用LoRa網絡取代傳統的485網絡，從而大大減少了大型FFU控制系統的建設施工工作量，同時也相應減少了后期維修維護的工作量。
附圖說明
圖1為本發明實施例中所述群控的系統結構圖。
圖2為本發明實施例中FFU控制器硬件電路框圖。
圖3為本發明實施例中FFU控制器的電源部分原理圖。
圖4為本發明實施例中FFU控制器的MCU部分原理圖。
圖5為本發明實施例中FFU控制器的電機驅動部分原理圖。
圖6為本發明實施例中FFU控制器的通信部分原理圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。
本系統由FFU控制器、LoRa網關、FFU群控服務器構成。其中FFU控制器主要負責控制電機的轉動以及收發信息；FFU群控服務器里面安裝群控軟件，負責控制和診斷所有的FFU的運行；LoRa網關作為通訊中介，負責群控服務器與控制器之間的消息傳遞。系統結構如圖1所示。在該系統中，一臺安裝了群控軟件的FFU服務器和多臺LoRa網關通過局域網相連，LoRa網關的數量取決于系統規模。一般小規模諸如幾百臺FFU的群控系統僅需1臺網關即可，大規模群控需要根據潔凈室的布局情況設計LoRa網關的數量，當FFU數量較多時一臺網關盡量不要超過連接500臺FFU控制器。本系統設計最大容量是可以控制10萬臺FFU。
FFU控制器的主要作用有兩個，一是驅動FFU電機轉動，二是負責通訊信息的收發。常見的FFU電機有感應電機和直流無刷電機，針對不同類型的電機需要設計不同的控制電路。本發明僅以感應電機為例介紹FFU控制器的設計。
FFU控制器硬件電路主要包含四部分：電源部分、通信部分、MCU部分和電機驅動部分。系統框圖如圖2所示。
其中電源部分的作用是將220VAC的市電轉化為直流電供各個部分使用。主要包括一個整流濾波電路和兩個開關電源模塊。整流濾波電路中的整流橋采用KBPC1510全波整流，濾波電容采用450V，10000μF的電解電容，輸出300VDC左右的電壓供電機驅動部分作為直流母線。開關電源模塊選用HIECUBE的AP3.3N03和AP15N03，產生3.3VDC的電壓供單片機和通信模塊使用，產生的15VDC的電壓供IPM使用。
通信部分選用的是億佰特的E22-400T22S模塊，該模塊是一款基于SX1268芯片的LoRa擴頻解決方案。該模塊在本控制器中作為單片機的收發器而存在，與單片機之間進行UART通訊。
MCU部分是整個控制器的核心，選用STM32F103C86T單片機。該單片機基于ARM 32-bit Cortex?-M3構架，LQFP48封裝，包括32個IO和3個UART。單片機程序主要包含電機控制和邏輯控制部分。電機控制部分包含了一套基于無速度傳感器控制技術的感應電機控制算法，用于接受控制調節輸出轉速與轉矩；邏輯部分主要是與接收與處理服務器發過來的命令，包括電機啟停、轉速調節、自我診斷等。
電機驅動部分由一個Infineon公司的IRAMS06UP60B智能功率模塊以及外圍的電流采樣電路構成。IRAMS06UP60B是一款專為感應電機變頻調速而設計的驅動模塊，內部集成了三相IGBT逆變電路，耐壓600V，單相最大電流6A。該模塊接收單片機發出的PWM控制信號，控制六個內置的IGBT，驅動感應電機轉動。由于無速度傳感器控制算法需要采集三相電流信息，所以還設計了一個電流采樣電路，采集三相電流信號。根據基爾霍夫定律任意時刻三相電流和為零，所以實際只需要采集其中的兩相。
FFU控制器的原理圖和PCB如圖3至6所示。
LoRa網關的作用是作為FFU群控服務器與FFU控制器的消息收發中介。LoRa網關與FFU群控服務器通過工業以太網連接，與FFU控制器通過無線射頻信號通訊。LoRa網關主要由一個主控芯片、一個以太網芯片以及一個LoRa模塊，外加電源電路以及其他輔助電路構成。以太網芯片選用江蘇沁恒的CH395Q，該芯片自帶10M/100M以太網MAC層和物理層，內置了包括IP、TCP、UDP等網絡協議棧固件，單片機系統可以方便地通過該芯片進行以太網通訊。LoRa模塊仍然選用億佰特的E22-400T22S模塊，作用和在FFU控制器中一樣，負責控制命令的收發。主控芯片選用意法半導體的STM32F103C8T6單片機，用于對CH395Q和E22-400T22S的初始化、配置以及診斷。
群控軟件主要作用是對所有的FFU進行管理，采用C#語言開發，數據庫采用SQLServer。主要分成兩部分，一是配置軟件，二是運行軟件。
配置軟件主要作用是配置運行畫面和控制策略。用戶導入車間布局圖，根據實際位置在布局圖上安放FFU，完成運行畫面配置；用戶將FFU分組，根據日期、星期、時刻制定各組FFU的開關或運行速度，完成控制策略的配置。
運行軟件主要提供運行監控畫面，顯示各組FFU的運行情況，包括狀態（運行、停止、故障、離線等）以及當前轉速。對于大型FFU系統可以通過配置多顯示器監控多組FFU的運行情況，也可以通過設定時間切換顯示。
除此以外，本軟件提供數據庫接口，第三方軟件可以通過該接口隨時調用各個風機的運行情況，便于與其他系統相集成。
以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
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