基于Lora扩频的多芯二次线缆对线装置的研制

基于Lora扩频的多芯二次线缆对线装置的研制

杜鸣亮、承伟、卞江铜

国网安徽省电力有限公司芜湖供电公司  安徽省芜湖市  241000

摘要：基于Lora扩频技术的多芯二次线缆对线装置的设计与实现，分析现有对线装置的技术瓶颈，提出了利用Lora扩频技术实现远距离、低功耗、抗干扰对线检测的设计方案。介绍了该装置的系统架构，包括硬件和软件的设计与集成，通过实验验证了该装置的有效性和可靠性。该装置在复杂的电磁环境下能够准确、高效地完成对线操作，具有良好的应用前景。为线缆对线装置的发展提供了新的思路和技术支持。

关键词： Lora扩频技术，多芯二次线缆，对线装置，低功耗，抗干扰

1. 引言

现代工业和通信技术的发展，多芯线缆在电力、通信、自动化等领域得到了广泛应用。由于多芯线缆内部结构复杂、芯线数量众多，在线缆维护、检测和安装过程中，芯线对线的准确性和效率一直是一个技术难题。传统的对线方法多依赖于人工，效率低下，且在复杂的环境中容易受到电磁干扰，导致对线错误，影响系统的稳定性和安全性。

Lora（Long Range）扩频技术作为一种低功耗、远距离无线通信技术，在物联网等领域得到了广泛应用。其优越的抗干扰能力和较大的通信覆盖范围，使其在复杂电磁环境下依然能够保持稳定的信号传输。将Lora扩频技术引入多芯线缆对线装置，有效解决传统对线技术中遇到的干扰问题，提高对线的精度和效率。

2. 相关技术概述

2.1Lora扩频技术的原理与特点

Lora扩频技术是一种基于扩频调制的远距离、低功耗无线通信技术，其核心原理是将信号扩展到较宽的频带来增强信号的抗干扰能力，在接收端使用特殊的解调算法进行解码。Lora技术的主要特点在于其能够在远距离传输信号的同时保持较低的功耗，导致其特别适用于物联网、智能监控等需要长时间、远距离稳定通信的应用场景[1]。Lora具备强大的抗干扰能力和多用户并发性能，能够在复杂电磁环境中仍保持较高的通信稳定性和数据传输精度。

2.2多芯二次线缆的结构和应用

线缆通常需要具备良好的抗干扰性和稳定性，保障每根芯线能够稳定地传输信号或电流。由于多芯线缆的结构复杂，芯线数量多且排列紧密，在线缆维护和安装过程中准确找到每一根芯线的位置并进行连接是一项非常具有挑战性的任务。如果芯线匹配错误，导致设备故障、信号传输错误，甚至造成安全隐患。

2.3当前对线装置的现状及技术瓶颈

人工对线不仅费时费力，还容易受人为因素影响导致错误。而现有的电子对线设备，尽管能够在一定程度上提升对线效率，但在面对多芯线缆复杂的信号干扰时，显得力不从心，无法在高干扰环境中保证对线的准确性。许多设备对线的距离受限，无法满足远距离对线需求。技术瓶颈限制了对线装置在复杂环境中的应用和推广，迫切需要一种更为高效、精确且能够适应多种环境的对线装置。

3. 设计方案

3.1硬件部分

每根芯线的电气信号通过传感器检测后传输至处理器。处理器选用了高效的微控制单元（MCU），其核心作用是对传感器反馈的信号进行快速处理和数据整合。同时，系统配备了稳定的电源管理模块，确保在多变的工业环境中能够持续、稳定地工作。电源设计优先考虑低功耗方案，以延长装置的使用寿命，支持在电力资源有限或无电环境下的应用[2]。

3.2软件部分

Lora通信模块的任务是在多芯线缆之间传递和接收信号。基于Lora扩频技术的低功耗、远距离和抗干扰特性，软件能够在较大的范围内稳定地进行信号传输，在高干扰或远距离的工业环境中也能保持通信的准确性。Lora模块通过其扩频调制解调机制，保障即便信号在复杂电磁场下受到干扰，接收端依然解码恢复原始信号，保证对线过程中信号传输的高可靠性。

3.3多芯线缆检测机制

算法根据芯线的电气信号特征进行分析和匹配，Lora模块传输信号来确认每根芯线的具体位置。系统会为每根芯线生成唯一的信号特征码，通过Lora通信模块传递这些特征码。在对线过程中，接收端会识别这些特征码，根据预设的对线规则将其与目标芯线进行匹配。当所有芯线均完成信号传输和特征匹配时，对线工作即告完成。

在实际操作中，传感器持续监测各芯线的电气信号变化，通过Lora模块实时传输这些数据。如果检测到异常信号，系统能够迅速作出响应，提醒操作人员重新校准，或通过自带的纠错机制自动修复小范围的匹配错误。系统还集成了数据存储功能，能够记录每次对线的详细信息，便于事后检查和追溯。

4. 实现过程

4.1对线装置的硬件实现

硬件部分的设计聚焦于精确的信号采集与处理，以确保在复杂电磁环境下也能提供稳定的性能。传感器的选择至关重要，采用了高灵敏度的电气信号传感器，能够实时、准确地采集每根芯线的电气特征信号。处理器部分则采用了性能强劲、低功耗的微控制单元（MCU），快速处理传感器采集的数据，保障信号能够得到实时传输和分析。电源模块经过优化设计，既支持长时间运行，又能够适应工业环境中电压不稳的情况。硬件电路的稳定性经过多次迭代改进，保证系统在不同工作环境下的可靠性和低功耗表现。

4.2软件系统的开发流程

开发过程中，核心算法的实现重点在于对线算法的设计，该算法基于芯线信号的电气特征，特征码匹配来完成对线工作。软件还集成了异常检测和自动纠错功能，提高系统的鲁棒性。开发工具方面，选择了与硬件兼容的嵌入式开发环境，保障软件与硬件能够高效结合。软件设计注重模块化开发，所有功能模块均采用独立设计，便于后期维护和功能扩展。

4.3Lora模块的集成及调试

Lora模块通过SPI接口与处理器相连，保障数据的高速传输。在初步的集成过程中，验证了Lora模块的基本通信功能，包括信号发送和接收。调试了Lora扩频特性，在长距离通信时仍能保持较低的信号丢失率。Lora模块的调试还包括对其抗干扰能力的测试，在工业环境下，设备容易受到外部电磁干扰的影响。通过优化Lora模块的频谱和功率设置，保证系统能够在高干扰环境中稳定运行。为了确保数据的传输稳定性，还对Lora模块的信号覆盖范围和通信延迟进行了详细测试[3]。

4.4功能测试与优化

在实验室环境下对系统的基本功能进行了测试，验证了硬件和软件的协同工作，保障每根芯线的电气信号能够通过Lora模块准确传输和接收。系统进入了工业环境的实地测试，测试中模拟了多种复杂的电磁环境，以评估系统的抗干扰性能。测试结果表明，系统在远距离通信时，能够保持较高的信号准确性，且在复杂环境中其对线精度和速度均达到了设计预期。

5. 实验与测试

5.1实验环境及设备介绍

实验环境包括一个高电磁干扰的车间，主要设备为设计的多芯二次线缆对线装置、Lora通信模块、信号源以及多台监控仪器。为了评估装置的性能，实验选取了多种不同长度和类型的多芯线缆，涵盖电力线缆和通信线缆，且均处于实际工作负荷条件下。环境中有多个其他设备在运行，制造复杂的电磁干扰背景，测试系统的抗干扰能力。

5.2测试方法与步骤

实验初始阶段，每根芯线的电气特征信号通过装置进行采集和传输，接收端通过Lora模块接收并进行特征匹配。系统会实时监控并记录每次对线的结果，与预设的正确对线方案进行对比。在不同的测试场景下，逐步增加系统负载和干扰强度，观察其在复杂环境下的性能表现。还测试了系统在不同通信距离下的稳定性，短距离到Lora模块的最大通信距离，验证其在远距离场景下的有效性。

5.3实验结果及分析

芯线的特征码匹配成功率超过了98%。即使在强电磁干扰环境下，系统仍能保持较高的信号识别率，且信号传输过程中未出现明显的延迟或丢失。在远距离测试中，系统成功完成了超过1公里的对线任务，传输稳定性良好，且未受外部干扰的影响。

5.4对线精度与可靠性的测试

可靠性测试则通过多次重复实验验证，系统在长时间连续运行后未出现明显的性能下降，表明其具备良好的稳定性和耐用性。实验结果证明了该对线装置在实际应用中的高效性和可靠性，能够满足工业生产中对线精度和稳定性的需求。

6. 结论

基于Lora扩频技术的多芯二次线缆对线装置，有效解决了传统对线方法中存在的精度低、抗干扰能力差以及效率不高的问题。在复杂环境下具备较高的对线精度和稳定性，在长距离和强电磁干扰的情况下，依然能够保持可靠的通信性能，满足了工业生产的实际需求。

参考文献

[1]王业桢,卢传吉,李亚会,等.基于Lora扩频的多芯二次线缆对线装置的研制[J].自动化应用,2023,64(03):79-82.

[2]潘智豪,赵克家,周翔宇,等.新型数字式线缆对线器的设计及应用[J].电子制作,2020,(02):74-75.

[3]谷栋,李明,李中原.一种新型电缆对线器的设计与应用[J].机电信息,2019,(17):73-74.