LoRa隧道照明网络设备测试系统研究与设计.pdf

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设计了一款LoRa无线隧道照明网络设备功能自动测试系统.该系统以易控(INSPEC)组态软件为开发平台,可一次性自动完成多达15 台LoRa无线网络设备的功能测试和拷机运行,具有系统工艺参数输入,测试参数的实时采集、运算处理、存盘、显示、报表查看,以及故障自诊断与报警等功能.给出了测试系统电路设计,详细描述了测试系统功能模块程序流程图和关键程序的设计方法与实现原理. 湖南某公司近万台套LoRa 无线隧道照明网络设备的实际使用效果验证了测试系统设计的正确性与高性能.
第4期 周华安等:LoRa隧道照明网络设备测试系统研究与设计 93 DORa无线单灯控制器的ID配置与功能测试只 2)自动测试自动测试模块的测试流程如图2 能一台台地进行,为了降低系统成本,将15个被测所示,用于对出厂ID号默认为0的La无线网络 单灯控制器的调光信号输出端串联二极管,并联接设备进行自动I配置以及功能测试.15个单灯控 入AD模块的AD输入通道和灯具驱动电源的调光制器为一组,测试的主要内容依次为:无线通信测 控制输入端,可隔离待测试的单灯控制器对被测单试、I配置检测、关丌继电器动作测试、单灯控制器 灯控制器调光信号的影响基于LoBa单灯控制器调调光、节点故障读取检测、灯具故障读取检测、最终 光信号输岀端电路的特性,为确保串联二极管充分I号码配置检测等.其中ID(jd)表示给被测单灯控 导通,实现调光信号的准确测试,在AD与AD模块制器配置的节点I号,DOn为开关量输出1,对应 的GNn之间并联1kΩ电阻.对nO模块输出采用单灯控制器电源上电,称为被测对象,否则,为待测 抗干扰能力强、性能稳定的超小型光电耦合器进行对像,n=0,1,2,…,14 信号隔离,同时增加驱动能力;DI输入端接4.7kΩ 开始) 上拉电阻,实现单灯控制器内部继电器状态的可靠 初始化DOn=1,n=0 获取 IDd)=起始D 发送w调光指令 2测试系统的功能 无线通讯 故障提示8A92 开继电器动作检测 配置TD 自动测试系统的功能如表1所示 继电器动作检测 表1自动测试系统功能表 发送4V调光指令单节点调光检测 Tab 1 Function table of automatic test system 录线38<AD42 节点故障检测 Y 功能 单灯控制器 协调器 信故 灯具故障检测 记录D配置失败最终节点配置检测 测试数量 n+1 组测完毕信号 测试模式自动/动拷机 自动/动 测试参数/网络号! 在线配置 测试参数ID号 网络大小/D号 1N=判断是否继续下《结束 报表测试历史数据放障类型测试历史数据故障类型 ID(jd)+1 报警 声音/图形提示 声音/图形提示 (jd)≤65530 无线通信/调光/灯具故障无线通信/调光灯具故障 故障类型检测/节点故障检洌/D号检测/节点故障检测网络 图2自动测试流程图 配置 号、网络大小、ID配置 Fig. 2 The flow chart of automatic lest 3测试系统的主要模块与程序流程图 3)拷机测试拷机测试主要用于对已成功配置 ID号,且功能完好的LoRa单灯控制器进行稳定性 检测,拷机测试流程如图3所示拷机运行时,首先 工业组态软件已广泛应用于工业控制领域1213 发送节点ID读取指令获得被测节点DD号,然后进 基于 Net framework的易控组态面向自动化系统的行测试,测试流程与自动测试基木相同,但不记录 通用数据采集和监控,提供了大量的常用工控设备故障类型,而是记录累计运行时间、累计运行次数 驱动程序,支持多种通信协议本自动测试系统采图中:NH(m)表示循环一次出现故障的个数:NH 用易控组态建立人机界面( HMI/MM环境,设计了(xg)代表总共出现故障的个数;P(xhes代表实际测 参数设置、自动测试拷机测试、手动测试、协调器试循环次数:P(ys)代表预设循环次数 测试、历史记录查看等软件功能模块. 4)协调器测试.协调器测试是使用一个功能完 1)参数设置参数设置模块主要完成包括LoRa好的单灯控制器测试协调器,包括对该协调器的网 无线网络的网络大小、网络号、单灯控制器组号、单络号、网络大小进行配置,测试过程中应排除单灯 灯控制器ID号、测试起始I、AD门限值、拷机测试控制器故障的影响协调器测试流程如图4所示,ID 时长、测试循环次数、每次循环检测台数等参数的(xq)是给协调器配置的m号,初始值是测试前进行 设置 参数设置的起始ID.由于协调器每次只能单个测 (c)1994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 94 湖南大学学报(自然科学版 2019年 试,所以在每测完一个就,就有提示信号,测试过程测试报表,记录数据如表2所示 中只使用数字输出量端口DO 表2测试记录数据 开始) Tab. 2 Data sheet of test record 工作模式 记录数据 DOn=l, n=0, P(xhcs)=0 NH(zg)=0, NH(me)=0 控制器D号、故障控制器I号 单灯控制器自动测试模式 P(ys)=预设循环次数 故童类型 读取测试I 单灯控制器拷机运行模式拷机时长、拷机循环次数、每次循环 错误次数、总错误次数、错误率 □运行测试子程序 协谓器测试模式 牧障协调器I、故障类型 NH(mc)+1 是否有不合格 NH(zg+1 4测试系统主要功能实现 4.1IO通讯的实现 n<15 系统程序实现的关键在于如何实现组态软件 P(xhcs)+1 与协调器设备的ⅣO通信连接,传统的实现方法有 3种:1)用易控组态软件自带的串口设备组态功能 (ahe)≥P(ys 进行连接,在IO通讯节点下选择“串口设备”2)与 C结束 第一种方法大体相同,在选择串口设备时选择“虚 图3拷机测试流程图 拟设备”3)外加PLC设备,通过PLC设备与下位机 Fig 3 The flow chart of infinite loop test 连接进行读写操作.第一种方法要求协调器使用标 准的 Modbus协议,且只能使用“0l”“03”“04”“07” 开始 “14”等5种功能码,不能随意对通道进行开关、读 写操作第二种方法可以使用任意功能码,但同样无 初始化,DO=1,D(xq)=起始ID 法实现对通道设备随时开关、读写操作第三种方法 发送9V调光指令 的实现虽然对协调器的读写方便,但是PLC的使用 无线通讯,N<88AD<92 开继电器动作检测]增加了设备成本和工作量 本设计在易控组态软件提供的驱动程序开发 协调器D配置 关继电器动作检测 模板下,调用 Window动态连接库(DLL文件),引用 单节点词光检测 微软net中的 Serialport串冂控件,用C#编写IO 发送4V调光指令 节点故障检测 通信程序,实现1O系统的自定义功能,最后使用 记录无线 SerialPort. Write()将数据写入串行端口输出缓冲区 通信故障 38<AD<42y 灯具故障检测 该程序可以根据测试需要随时打开或者关闭IO设 记录D配置故障最终节点配置检测备,读写操作方便,主要程序如下(指令中发送,返 回的数据均为十六进制): 测完丰信号=1 public static void单节点调光() 如+<判断是否继续 System. 10. Ports. SerialPortComDevice new sisler.IO. Ports. SerialPort("COM2");/实例化端口 结束 ComDevice. Port Name="COM2";/端山命名 图4协调器测试流程图 Cun Device BaudRate =(int)9600 /设置波特率 Fig 4 The flow chart of coordinator test Com Device. Databits=(int)8;∥设置数据位 CoInDevice:Puil= Parily.None;∥无奇偶检验 5)历史记录查看.历史记录查看模块用于记 bytel SingleDimming={ Convert.ToByte(指令协调器ID), 录、保存各种测试模式下的测试结果,并自动生成 06,00,01,00,28};单节点调光指令 (c)1994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 第4期 周华安等:LoRa隧道照明网络设备测试系统研究与设计 95 ComDevice. Open();∥开串口 式中:N代表每次循环出错的个数;T为预设台数 ComDevice. Write( Single Dimming_AddCRC,O (1≤T≤15);n为已循环次数 Single dimming addcrc. Length);/写指令 4.3报表记录实现 ComDevice. Read( Inputbu5.0,15);/读返回值 ComDevice. close();/关串口 为了监控测试过程状况,方便查看已检测节点 数据,系统设计了历史记录和报表生成模块易控本 42单灯控制器功能测试及故障统计方法 身设计的历史记录分为定时记录和变化记录1这 单灯控制器需测试的功能包括LoRa无线通两种记录方式都不能满足测试系统对测试数据记 信、I配置、调光、IFD灯具驱动电源继电器控制、 录的要求:条件触发式记录,即只在诊断出发生故 节点故障检测、灯具故障检测与定位6项测试系统障时才记录.本设计通过配置 Window下的ODBC 还可完成对上述功能故障的诊断.相应测试与故暗( Open Database Connectivity,开放数据库互连)数据 诊断方法如下: 库访问编程接口、使用 Excel数据源的驱动程序 1)通过检测单灯控制器输出的调光信号值间 Microsoft excel driver(,xl、,xx、,xlsm、*,xlsb)连 接判断LRa无线通信是否正常接入测试系统的单接 Excel文件,在易控组态软件下对ODC数据库 灯控制器的初始化调光输出信号幅值为最大值10访问置,在系统界面加入“导出到Exce按组,同 V,测试系统首先对单灯控制器进行一次9V调光 通过板卡AD通道采集单灯控制器输出的调光电径,实现了数据记录与报表实时数据库设计在测试 压值Vn: 过程中,数据在易控脚本程序中用C#语句直接记 VAD= VAD o /1 000+0.5 (1)录在Excd文档壁,实现数据导入 Excel I的部分程序 若8.8V<VA<9.2Ⅴ不成立,说明单灯控制 不再对该节点进行其他功能测试,自动测试下一个/(imt=0:;< datasettable. Tables[C0. Rows. Count:;+) 器没有执行调光指令,即存在无线通信故障,系统 for string al=Convert. To String( datasettable Tables[O].Rows[illl]) 节点设备 string a2=Convert To String( datasettable Tables[O]. Rows[iJ[2]); 2)为单灯控制器配置I号后,通过发送与I string a3-Convert. T'o String( datasettable Tables l Rows); 号对应的单节点调光指令,让其进行4V调光,以此 string a4= Convert tostring( datasettable Tables[2owi2]) 判断ID配置是否成功,若38V<VA<42V,说明 ing ustr= Estring format(" insert into [Sheet1(间,变量 ID配置成功,若不成立,说明I配旹不成功. 变量2,变量3) valuest({l},{2},{3})",al,a2,a3,a4); 3)对节点发送关闭继电器指令,由D模块读oda= new OleDb((t,de) 取数据,若DI=0则没有故障,否则记录故障类型 oda. Execute Non Query( 关继电器故障” 4)灯具状态读取功能的检测,首先通过板卡数 字输出量DO1=0关闭灯具,模拟灯具故障发送状5测试系统运行结果分析 态读取指令XX030001(XX是协调器的ID号,03 是功能码,0001是节点的I号).设备正常情况下 1)系统在湖南某公司投入使用,对9500台单 返回的数据格式为XX030001LL其中LL表示故 灯控制器进行I配置及功能测试,一次性连接15 障状态信息LL为00,表示灯具坏了,同时也表明单 ,每测一组用时约1075min,累计用时6808min 灯搾制器工作正常,能进行无线通信:L为01表示测试正确率统计如表3所刀 灯具止常;LL为02则表示单灯控制器有故障,无法 表39500台单灯控制器测试正确率统计 通信因为已经模拟了灯具故障,在这种情况下应该 Tab3 Accuracy statistics on test of 9 500 controllers %o 返回的数据为XX03000100,所以在测试时直接 ID配置无线通信调光节点故障诊断灯具故障诊断 根据返回数据的第五个字节判断. 正确率99.3298749987 9943 98.73 5)拷机测试记录每次循环中故障节点及故障 节总数,并计算节点故障率,该计算公式为 2)表4为对应调光比例0~100%的单灯控制器 ∑ 期望调光输出与自动测量数据在调光比例5%时误 g (2)差最大,自动测量数据与期望电压的实测误差为1% n x (c)1994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 96 湖南大学学报(自然科学版 2019年 表40~100%调光输出电压自动测试数据表 YANG D H. Design of rvad Lunnel lighTing control sysle based OIl Tab 4 Automatic test data of 0-100 %o light output voltage wifi wireless nctwork [J]. Scicncc and Tcchnology Vision, 2017 (31):155-156.( In chinese) 参数 数值 [6]于东东其于 ZigBee的智能IED隧道照明系统的设计[D].上 调光比例/%0 海:东华大学信息科学与技术学院,2015:3167 期望输出/V 0.5 YU DD. Design of intelligent LED tunnel lighting system based on ZigBee[ D]. Shanghai: School of Information Science and Technol 实际输出八00.500.991.501992.49299 ogy, Donghua University, 2015: 31 67.(In Chinese) 误差/% 0 0.5 0.4 0.3 [7]刘文娟,朱留存,复建琪.基于LoRa的路灯控制系统设计[J] 调光比例/%35404550556065 通讯世界,2017(4):239-240 LIU W I, ZHU L C. XIA J Q. Design of street lamp control system 期望输出八3.54.0455.05.56.06.5 based on Lora J. Communication World, 2017(4): 239-240 实际输出八3.503.994.494985495996.52 (In Chinese [8]黄洁文基于LoRa技术的智能校园照明管理系统[J].装各制 误差/% 00.250.220.400.180.160.30 造技术,2018(4):121122 调光比例/%70758085909510 HUANG J W. Campus lighting management system based on Lora 期望输出/八707.5808.59.09.510.0 technology [J]. Equipment Manufacturing Technology, 2018(4) 121-122.( In Chinese 实际输出/6.997.508.02849901951999 9」湖南沛科交通股份有限公司.种基于LORA技术的无线单灯 误差%0.1400.250.120.110.110.10 控制系统:2018203604435P].2018-08-24 Peike Transportation Co Ltd. a wirele logy:2018203604435Pl 6结论 2018-08-24.( In Chinese) [10] GOL.DE.NRERG N, WOOL. A Accurate modeling of ModbuS/TCP forintrusiun delec Liun in SCADA Systems [J ]. Internalional Jourmal LoRa无线网络设备功能自动测试系统已正式 of Critical Infrastructure Protcction, 2013. 6: 63-75 在湖南某交通公司投入运行,运行结果表明:该系 [1]左卫,程永新. Modbus协议原理及安全性分析[J.通信技术 2013,42(12):6669 统操作方便,性能可靠,I配置错误概率为0,连续 ZUO W, CHENG Y X. Modbus protocol principle and security 测试15台单灯控制器所需时间约10min,而人工 analvsis [J]. Communication Technology, 2013, 42(12): 66-69 (In Chinese) 测试需要2人配合,所需时间至少30min;系统具12]李永科,李建增,庆民一种基于组态技术实现的通用自动测 备的多种故障自诊断功能和实时数据记录与报表 试系统[J].计算机測量与控制,2005,13(8):758-760 功能,为产品质量保障提供了科学依据 LIYk, LIJ7, TIAN O M. A universal antomatic test svstem hased on configuration technology [J J. 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    2019-09-15
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