基于LoRa的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜坤 劉思江

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)存在功耗大、擴(kuò)展性弱等問(wèn)題，文中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于LoRa技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，硬件使用RFID reader傳感器實(shí)現(xiàn)身份信息識(shí)別，使用SX1278射頻芯片實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，通過(guò)STM32對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行采集;軟件采用Rocker容器技術(shù)、ADC-MAC協(xié)議和WebSock-et協(xié)議兼容MQTT規(guī)范來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和高效性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低、擴(kuò)展性能強(qiáng)、迭代升級(jí)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);實(shí)時(shí)狀態(tài);實(shí)驗(yàn)室設(shè)備;LoRa;延時(shí)分析;系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN948.64-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-0046-04

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)解決實(shí)驗(yàn)室的安全問(wèn)題成為可能。目前，實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題的解決方案一般是對(duì)通過(guò)安裝攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，但這樣只是對(duì)實(shí)驗(yàn)室的當(dāng)前環(huán)境信息做一個(gè)傳遞，并未對(duì)所采集到的圖像信息進(jìn)行篩選和處理，僅能作為事故分析的參考，不能提前做出預(yù)警工作，效率低且實(shí)時(shí)性差。此外，文獻(xiàn)[1]提出基于RS 485總線的監(jiān)控系統(tǒng)，但由于其需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備重新布局布線，會(huì)消耗大量的時(shí)間與精力;文獻(xiàn)[2]提出基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但應(yīng)用于距離較遠(yuǎn)、分布零散的實(shí)驗(yàn)室時(shí)效果并不理想。本文采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合LoRa技術(shù)在長(zhǎng)距離通信領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)[3]，在LoRa服務(wù)器與Web服務(wù)器之間建立MQTT協(xié)議鏈路來(lái)減小延時(shí)。同時(shí)還采用Docker容器技術(shù)和ADC-MAC協(xié)議來(lái)提高運(yùn)行效率，改善系統(tǒng)性能，并分析DTOP與DSAB機(jī)制分析系統(tǒng)功耗，使得系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能。

1 LoRa技術(shù)

1.1 LoRa概述

LoRa技術(shù)是Semtech公司開發(fā)實(shí)現(xiàn)的新興技術(shù)，其不但彌補(bǔ)了ZigBee技術(shù)的不足，還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、大容量的無(wú)線通信。LoRa采用Chirp擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)868 MHz，915 MHz，433 MHz三個(gè)頻段的通信并能支持自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率或變速率信道[4]，使系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，且更適合部署大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 LoRa技術(shù)特性

1）低功耗

LoRa是低功耗廣域網(wǎng)的一個(gè)分支，其采用CSS技術(shù)降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的功率消耗，具有ClassA/B/C這3種工作模式[5]對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)接收窗口狀態(tài)，可以靈活地適用不同需求。與現(xiàn)有的NB-IOT技術(shù)相比，其具有較好的低功耗特性，僅一顆紐扣大小的電池便可維持一個(gè)終端工作長(zhǎng)達(dá)1年之久。

2）覆蓋范圍廣

LoRa工作在1 GHz以下的網(wǎng)絡(luò)頻段，可以通過(guò)改變其模塊內(nèi)部接收天線的金屬覆蓋度來(lái)提高信號(hào)傳送距離。在未有障礙物遮擋的條件下，可達(dá)到8-10 km的遠(yuǎn)距離傳輸，擴(kuò)大通信范圍。

3）抗干擾性強(qiáng)

LoRa采用Chirp技術(shù)，其信道帶寬B較大。由香農(nóng)公式C=Blog2（1+ SIN）可知，信道的信噪較低，終端接收到的信號(hào)中會(huì)混有大量的噪聲信號(hào)，通過(guò)該技術(shù)可以較好地恢復(fù)原始信號(hào)，對(duì)比FSK和OOK具有明顯的優(yōu)勢(shì)[6]。

1.3 LoRa網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LoRa的網(wǎng)絡(luò)包括Web服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、LoRa服務(wù)器和LoRa節(jié)點(diǎn)4個(gè)部分[7-8]。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相連接，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，并向LoRa終端發(fā)送數(shù)據(jù)接收成功的指令[9]。Web服務(wù)器與LoRa服務(wù)器采用有線連接，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與Web服務(wù)器采用無(wú)線連接”[10]。

2 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理主要包括設(shè)備溫度的檢查、電源狀態(tài)檢測(cè)等。若采取傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，則需安排監(jiān)測(cè)人員對(duì)監(jiān)控信息進(jìn)行記錄和分析，導(dǎo)致工作任務(wù)量大，且檢查結(jié)果受主觀因素影響大，還會(huì)由于人為失誤導(dǎo)致故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)而發(fā)生危險(xiǎn)。應(yīng)用LoRa技術(shù)，可以將報(bào)警設(shè)備連接到LoRa網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，將實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)終端設(shè)備看作LoRa節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)將狀態(tài)信息經(jīng)由網(wǎng)關(guān)上傳至監(jiān)控平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。該系統(tǒng)不僅可以支持4G，WiFi等無(wú)線通信方式，也可通過(guò)有線的方式連接到網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能有實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)管（溫度、煙霧濃度等）;實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出人員記錄;設(shè)備使用狀態(tài)反饋;預(yù)警設(shè)備故障。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于LoRa技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。在數(shù)據(jù)采集模塊中嵌有大量射頻傳感器，其采集到各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息經(jīng)由LoRa網(wǎng)關(guān)上傳到服務(wù)器端，同時(shí)同步到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，最后顯示到監(jiān)控終端設(shè)備。且在實(shí)驗(yàn)室邊界布置RFID reader傳感器，實(shí)驗(yàn)室工作人員會(huì)佩戴證明其身份的RFID工作證。在人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，會(huì)對(duì)身份信息進(jìn)行采集和分析。若證實(shí)身份則進(jìn)行登記，若非實(shí)驗(yàn)室工作人員則會(huì)觸發(fā)警報(bào)。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線傳輸模塊、LoRa節(jié)點(diǎn)等，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理及發(fā)送。

1）傳感器模塊。根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控位置的不同，用戶選擇需要接人的傳感器模塊也不盡相同;

2）數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理的部分主要由高性能的嵌入式處理器STM32完成;

3）無(wú)線傳輸模塊。使用SX1278射頻芯片完成長(zhǎng)距離的無(wú)線傳輸功能。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室專用管理平臺(tái)，通過(guò)內(nèi)網(wǎng)連接，信息專用且安全性高。該系統(tǒng)采用Docker容器技術(shù)，多個(gè)Web服務(wù)器部署在Docker容器上構(gòu)成一個(gè)整體，便于向云端遷移和擴(kuò)展。系統(tǒng)后臺(tái)的數(shù)據(jù)采用MySQL存儲(chǔ)，MySQL選擇長(zhǎng)連接方式可以確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，避免在頻繁通信的情況下發(fā)生的Socket出錯(cuò)狀況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 低延時(shí)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)延時(shí)分析

圖2給出數(shù)據(jù)在監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸時(shí)存在的延時(shí)情況。圖中，T1，T2由網(wǎng)絡(luò)狀況決定;T3由LoRa服務(wù)器硬件設(shè)備的處理速度決定，該部分時(shí)間主要用于處理網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ);T4用于Web服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)大小決定;T5時(shí)間段用于應(yīng)用程序發(fā)起并接收請(qǐng)求的過(guò)程，由網(wǎng)絡(luò)狀況與Web服務(wù)器的運(yùn)存狀態(tài)決定。

3.2 系統(tǒng)延時(shí)解決方案

由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，若預(yù)警不及時(shí)則會(huì)引起嚴(yán)重的后果。因此，本設(shè)計(jì)中使用MQTT和WebSocket技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低延時(shí)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控預(yù)警功能。WebSocket技術(shù)是基于TCP連接的全雙工通信協(xié)議，其通信過(guò)程如圖3所示。其通過(guò)HTTP通道復(fù)用，使用HTTP端口進(jìn)行通信。

MQTT技術(shù)即消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸技術(shù)，其是IBM發(fā)布的一種基于發(fā)布一訂閱機(jī)制的“輕量級(jí)”協(xié)議。MQTT基于TCP/IP協(xié)議，提供一種可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，適用于不同需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。為了解決終端數(shù)據(jù)上傳周期不同，而影響系統(tǒng)整體延時(shí)時(shí)間的問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)中，將Web服務(wù)器端設(shè)置為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲃?dòng)方，采用WebSocket技術(shù)將終端數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)頁(yè)上。同時(shí)，采取在LoRa服務(wù)器和Web服務(wù)器端建立MQTT鏈路，以此解決Web服務(wù)器周期性讀取數(shù)據(jù)庫(kù)帶來(lái)的時(shí)間耗費(fèi)過(guò)多問(wèn)題。

4 低功耗設(shè)計(jì)

在LoRa系統(tǒng)的生命周期主要由LoRa終端的使用壽命決定，而在提高終端數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，減少系統(tǒng)功耗也成為本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。

在LoRa的3種工作模式中，Class B的應(yīng)用范圍最廣。而在該模式下，LoRa終端接收數(shù)據(jù)的時(shí)間有限。因此，若LoRa終端能夠了解數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)并根據(jù)數(shù)據(jù)大小來(lái)控制使用的接收窗口數(shù)量，則LoRa終端的功耗就會(huì)大幅度降低。本文使用DOTP機(jī)制進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，終端會(huì)根據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的大小以及相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度，關(guān)閉多余的ping時(shí)隙，從而有效地解決ping時(shí)隙過(guò)度開發(fā)導(dǎo)致功耗大的問(wèn)題。其時(shí)隙打開和關(guān)閉的情況，如圖4所示。

根據(jù)圖4對(duì)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行如下分析。

當(dāng)不適用低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，其功耗為：

w11= TPi+ 0.03mPi+ （128 -T - 0.03m）P2 （1）

使用本文所提出的低功耗設(shè)計(jì)方法后，其功耗為：

w2 =TP1+ 0.03（m-n）P1+

（2）

[128 -T - 0.03（m-n）]P2

通過(guò)對(duì)比可知，本文提出的低功耗設(shè)計(jì)方法有效地降低了LoRa終端的功能。

5 功能與性能測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，在某校的教學(xué)樓二樓各實(shí)驗(yàn)室安裝基于LoRa的煙霧、溫濕度、視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，并在LoRa服務(wù)層中，對(duì)各節(jié)點(diǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5.1 功能測(cè)試

為了測(cè)試當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)是否能正常工作并報(bào)警，采取人為遮擋攝像頭、觸發(fā)煙霧報(bào)警器、改變實(shí)驗(yàn)室溫濕度等方式，測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)是否正常工作。測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

5.2 性能測(cè)試

本監(jiān)控系統(tǒng)最重要的工作指標(biāo)是其延遲性能，本文采用自動(dòng)測(cè)試工具，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)進(jìn)行測(cè)試。圖5為本文設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)比測(cè)試結(jié)果。由圖可知，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通信延時(shí)明顯小于傳統(tǒng)的方案，而且隨著監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的逐漸增多，本方法的低延遲優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為切人點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)室設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控為目標(biāo)，采用LoRa技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LoRa技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)室中存在的安全隱患，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)室采用同一套監(jiān)控系統(tǒng)，解決實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的操作復(fù)雜、高延遲及高耗能等缺點(diǎn)。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)還可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行擴(kuò)容，從而滿足更高層次的要求。

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作者簡(jiǎn)介：杜坤（1982-），男，回族，河南商丘人，博士，講師，研究方向?yàn)榻逃畔⒒?、信?hào)與信息處理。