摘要：随着钢铁行业向智能化与绿色化方向转型，实时、准确的数据采集与传输成为生产优化和安全管控的重要基础。本文针对传统钢铁生产现场数据采集设备在环境适应性、实时性及互联互通方面的不足， 基于物联网（IoT）技术研发了一套面向钢铁行业的智能数据采集设备。设备融合多类型工业传感器、低功耗无线通信，可实现对温度、一氧化碳浓度、振动、噪声、湿度等关键环境与设备状态参数的多点协同采 集与远程传输。系统采用分布式架构和自适应采样策略，提高了数据采集的精度与稳定性研究成果为钢铁行业构建全流程数字化感知体系提供了可行的技术路径，并为其他高温重工业领域的智能化改造提供了参考。关键词： 钢铁行业 工业物联网 无线通信 数据采集设备 工业传感器

Abstract ： With the steel industry shifting toward intelligent and green transformation， real-time and accurate data acquisition and transmission have become the foundation for production optimization and safety control. To address the limitations of traditional on-site data acquisition equipment in terms of environmental adaptability， real-time performance， and interoperability， this paper presents the development of an intelligent data acquisition device for the steel industry based on Internet of Things （IoT） technology. The device integrates multiple types of industrial sensors and low-power wireless communication to enable multi-point collaborative acquisition and remote transmission of key environmental and equipment status parameters such as temperature， carbon monoxide concentration， vibration， noise， and humidity. The system adopts a distributed architecture and adaptive sampling strategy to improve the accuracy and stability of data acquisition. The research results provide a feasible technical path for building a full-process digital perception system in the steel industry and offer a reference for the intelligent transformation of other high-temperature heavy industries.

Key words： Steel industry；Industrial Internet of Things （IIoT）；Wireless communication; Data acquisition equipment; Industrial sensors

0 引言

近年来，随着工业互联网与智能制造的快速发展，物联网技术在各类工业场景中的应用不断深化。钢铁行业作为国民经济的重要基础产业，生产流程长、环节多、环境复杂，对数据的实时采集与精准传输提出了更高要求。传统数据采集设备在适应恶劣环境、实时响应、系统互联互通等方面存在一定不足，难以满足钢铁生产过程对高效、稳定、智能化信息获取的需求。

物联网技术的引入为钢铁行业的数字化、智能化转型提供了全新的思路。通过在生产现场布设多类型工业传感器，并借助智能数据采集设备与网络平台的协同作用，可以实现对温度、湿度、气体浓度、设备振动等关键参数的持续监测与数据整合。这不仅有助于生产过程的透明化管理和设备健康状态的预测性维护，还能为节能降耗、安全生产和环保达标提供可靠的数据支撑。

本文旨在设计并实现一个物联网网关，对钢铁生产过程中的关键参数进行实时监控和数据分析，从而提高生产过程的透明度和可控性，最终提升整个生产系统的智能化水平。本文对物联网网关的设计思路、实现方法以及实际应用效果进行详细阐述，实现了数据高效稳定传输[3]。

1 网络传感器整体架构

网络传感器由网关设备、节点设备和用户终端三部分组成。网关设备由 LoRaNet 节点模块负责获取传感器数据，并按照固定的通信协议通过 LoRa 无线链路发送至 LoRaNet 网关（基站）。LoRaNet 网关的上行链路搭载了 4G 通信模组，下行链路通过LoRa 基站模组获取节点上传的数据。节点设备对应一种传感器，目前可使用的传感器有温度、湿度、振动、声音和一氧化碳浓度。节点设备通过 LORA无线通信将获取的传感器数据发送到相应的网关设备，网关设备通过WIFI 将接收到的传感器数据发布到MQTT 服务器，在MQTT 传输协议中，增加了SSL 以对网络数据传输进行加密，从而提高数据传输的安全性，用户终端功能为查看传感器实时数据[4]。整体结构如图1 所示。

2 网络传感器硬件架构与设计

网络传感器硬件由七部分构成分别是电源和准备继电器接口、整流桥及电源稳压、状态指示灯和显示屏接口、报警蜂鸣器、传感器电路板接口、LORA 通讯模组、WIFI 通讯模组及主控、传感器报警继电器接口、设备核心处理器采用上海乐鑫公司的ESP8266 模组，内置超低功耗 Tensilica L106 32 位RISC 处理器，CPU 时钟速度最高可达 160MHz ，支持实时操作系统 （RTOS） 和 Wi-Fi 协议栈[5]；主板提供了一路无正负极性的电源接口，一路设备状态继电器接口和对应的不同类型传感器的报警继电器接口。整体结构如图2、图3 所示。

3 网络传感器软件架构与设计

3.1 网络传感器通信协议设计

LoRa 数据包结构主要分成三大部分，分别是 Preamble（前导码）、nHeader Symbols（报头操作模式）、Payload（有效负载），内容格式为 Network_ID（组网 ID 号，即 LORA 频道）、Module.IDb（模块的设备ID 号）、Tx_Msg_ID（消息ID 号）和TxMsg（消息内容）[6]。读取指令的配置如表所示：

表1 配置读取指令

LoRa 通讯结构采用星状网轮询的组网设计，一点对多点通信，N 个“从节点”轮流与“中心节点”通信，由第一个从节点上传，等待中心点收到后返回确认，然后下一个从节点再开始上传，直到所有 N个从节点全部完成，一个循环周期结束[7]，结构如下图4 所示。

3.2 网络传感器 HMI 界面设计

设计开发了一套 HMI 界面，用于智能传感器参数设置。能为用户带来友好的操作体验，使用户能够轻松地配置传感器参数。分别包括：（1）语言切换：以满足不同地区用户的需求。（2）设备ID 号：方便管理和识别各个设备。（3）传感器类型：以便用户正确配置不同类型的传感器。（4）传感器数值：显示传感器实时采集的数值，让用户随时了解当前环境状态。（5）设备位置信息。（6）设备模式选择。（7）报警阈值设置。（8）LORA 参数设置：确保数据传输的稳定性和可靠性。（9）WiFi 参数设置。（10）MQTT 参数设置：实现数据的远程传输和管理。（11）保存设置以及取消设置。通过以上功能模块，用户可以方便地对智能传感器的参数进行配置，以满足不同应用场景的需求，提高了操作的便捷性和灵活性。用户显示界面如图5 所示。

图6 用户显示界面

4 实验测试数据

随机抽取 5 个设备进行测试，设备接入电源后，扫码配置参数，将其中的 4 个设备配置为节点设备，LORA 频道设置为1，传感器报警值使用默认值，在完成设备配置后，将其中一个设备设置为网关设备，确保其LORA 频道与节点设备一致，均设置为1。随后，将各节点的ID 号录入列表，并配置好WiFi 和MQTT 参数，传感器报警值保持默认设置。完成上述配置后，即可通过MQTT 测试软件接收数据。数据内容如下：共包含 5 组数据，其中一组为网关设备数据，显示 LORA 组网频道、网关设备 IP地址、设备号、wifi 信号强度、设备安装位置信息、设备接入的传感器类型、传感器数值；其余4 组为节点设备数据，显示LORA 组网频道，LORA 信号强度等[8]。 实验数据如表6 所示。

节点设备1 数据

节点设备2 数据

表2 实验数据

节点设备3 数据

节点设备4 数据

该实验数据来自 MQTT 调试工具，数据主要由网关设备数据和节点设备数据两大部分组成，节点设备数据由其所连接的网关设备负责整合和发送到服务器端；其中网关设备数据主要包括了网关和节点之间的LORA 组网频道，网关设备的IP 地址，网关设备的设备ID 号，网关设备的WiFi 信号强度，网关设备的设备安装位置信息，以及网关设备自身所连接的传感器类型和对应的传感器数值，节点设备数据主要包括了该节点设备与网关之间的 LORA 组网频道，节点设备与网关设备之间的 LORA 信号强度，节点设备的设备ID 号，节点设备的设备安装位置信息，以及节点设备自身所连接的传感器类型和对应的传感器数值。可以看出数据可以准确地从网关设备获取，且设备之间也能够通过 LORA 正常收发数据。该项目提高了对传感器数据的采集速度和准确度，方便后续对数据的处理，且便于安装和部署，减少了其他设备和材料的损耗，降低了整体成本。

5 结论

论文主要研究 LoRa 物联网通信的关键技术，通过本研究，开发了一种基于 LoRa 的物联网网关，能够有效满足钢铁行业对物联网应用的需求。该网关解决了多传感器接入和数据双向传输的问题，可以替代具有相同功能（DI、DO、AI、AO、SSI 等）的原始传感器，并能通过专用的Wi-Fi 网络将传感器数据发送到相关服务器上。此项技术显著提高了系统的分布式部署能力和信号覆盖范围，为钢铁行业的智能化和信息化建设提供了技术支持和实践经验。

参考文献

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[2] 基于 LPWAN 技术的物联网无线通信系统架构研究[J].李华，刘定龙;赵暑霞，电子设计工程，2020（18）： 46-48.

[3] LoRa 物联网技术的发展展望与应用探讨[J].曹安民.广播电视网络，2022（04）

[4] 基于嵌入式系统的智能传感节点设计与实现[J]，徐华结：郑磊，吴仲城.微型机与应用，2014（07）：55-58.

[5] 基于 LoRa 通信的无线液压支架压力传感器设计[J].李起伟.工矿自动化，2020（12）：152-15

[6] 王海涛.工业物联网安全防护技术研究[J].自动化与仪器仪表， 2023（2）： 45-49.

[7] Semtech. and LoRaWAN®： A Technical Overview. 2022.（ Technical Report）

[8] G.Wuetal. "Energy-Efficient LoRa-Based Wireless Sensor Networks for Industrial Monitoring." IEEE IoT Journal， 2021， vol. 8， no. 4， pp. 1304-1311.

第一作者潘墨尧（2000 年11 月）男，本科，学士，冶金专业工程师基金项目：基于LoRa 物联网技术的智能传感器项目，（项目编号：24120203B）