基于LoRa的宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王 斌，王 蒙

高校學(xué)生宿舍是大學(xué)生學(xué)習(xí)和日常生活的重要場所，具有人口密度高、人員流動大、電子設(shè)備雜、易燃物品多等特點，保障宿舍區(qū)域安全、消除安全隱患是我國高校學(xué)生安全管理工作的重中之重.目前眾多高校的宿舍安全監(jiān)測主要采取宿管人員定期巡查、門禁系統(tǒng)、樓道視頻監(jiān)控等方式［1-2］.但是，隨著高校招生規(guī)模的不斷擴大，宿舍數(shù)量不斷增多，宿舍區(qū)域不斷增大，傳統(tǒng)的宿舍安全監(jiān)測方式面臨著人工巡檢難度大、監(jiān)測項目不全、預(yù)警不及時、通信距離不夠等方面的問題.首先，宿舍范圍的擴大增加了宿管巡查的時間和難度，容易造成監(jiān)測不仔細、發(fā)現(xiàn)安全隱患不及時的問題；其次，隨著充電寶、LED 夜燈、USB充電器等電子設(shè)備進入宿舍，電子設(shè)備異常引發(fā)火災(zāi)的概率大幅度增加，而目前的系統(tǒng)無法監(jiān)測；第三，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)無法在第一時間監(jiān)測到突發(fā)群體事件并預(yù)警；第四，傳統(tǒng)的基于RS485總線的監(jiān)測系統(tǒng)通信距離較短，無法覆蓋新建的宿舍區(qū)域.通過構(gòu)建高效的宿舍安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，可有效解決上述問題.

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展為宿舍安全實時監(jiān)測問題的解決提供了多種方案.文獻［3］針對校園環(huán)境中的溫濕度、煙霧、有害氣體等信息進行實時監(jiān)測，通過與短距離無線通信技術(shù)Zigbee結(jié)合，設(shè)計了基于Zigbee 技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng).文獻［4］分析了廣東省部分高校校園安全現(xiàn)狀與問題，論述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于校園安全管理的價值，提出一種基于射頻識別技術(shù)的高校校園安全管理模式.文獻［5］針對人工巡查無數(shù)據(jù)分析和聯(lián)動報警機制的問題，運用視頻監(jiān)控技術(shù)設(shè)計了一種智能校園安防監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng).文獻［6］分析了校園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求，以降低節(jié)點功耗和提高無線覆蓋范圍為目標設(shè)計了一種基于LoRa技術(shù)的校園環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng).本文在上述研究的基礎(chǔ)上，首先分析了目前宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)的需求，闡述了LoRa無線通信技術(shù)、電子設(shè)備異常監(jiān)測、突發(fā)群體事件監(jiān)測、消防安全監(jiān)測在宿舍安全監(jiān)測中的重要性，設(shè)計了系統(tǒng)框架；然后基于LoRa通信協(xié)議，提出了三類監(jiān)測模塊的軟硬件設(shè)計方案，以期為未來宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù).

1 系統(tǒng)需求分析

當前，高校學(xué)生處、后勤處、保衛(wèi)處等部門高度重視學(xué)生宿舍安全問題.在高校在校人數(shù)快速增長、宿舍區(qū)面積不斷增加、宿舍用電子產(chǎn)品日趨復(fù)雜的背景下，相關(guān)部門應(yīng)有效提高宿舍安全管理水平，及時更新宿舍安全風(fēng)險監(jiān)測指標、挖掘潛在的安全風(fēng)險.本文重點研究了近年來國內(nèi)高校宿舍的多起安全事故［7］，從LoRa 無線通信技術(shù)選擇、電子設(shè)備異常監(jiān)測、突發(fā)群體事件監(jiān)測、消防安全監(jiān)測四個方面分析了現(xiàn)階段宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)的需求.

（1）LoRa 無線通信技術(shù)選擇.隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，目前的宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)多采用Zigbee、WiFi 等無線通信技術(shù).但是，高校宿舍區(qū)域范圍大，建筑內(nèi)隔間多，上述無線通信協(xié)議存在傳輸距離短、室內(nèi)穿透能力差、抗干擾能力弱等缺陷.近年來，Semtech公司研發(fā)了基于擴頻技術(shù)的無線通信技術(shù)LoRa，具有網(wǎng)絡(luò)容量高、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、通信距離遠、穿透性強、功耗和運營成本低等特性.因此，將LoRa 應(yīng)用到宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)中可有效解決目前系統(tǒng)存在的缺陷.

（2）電子設(shè)備異常監(jiān)測.在宿舍中，手機、充電寶、筆記本電腦、LED夜燈、USB充電插排等電子設(shè)備已經(jīng)成為學(xué)生日常生活的必備用品.這些電子設(shè)備具有數(shù)量多、品牌雜、質(zhì)量參差不齊、使用時間長等特性，由于電子設(shè)備質(zhì)量問題或不正當使用引發(fā)的火災(zāi)已經(jīng)成為影響宿舍安全的重要因素.遺憾的是，目前的宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)還不能對電子設(shè)備異常進行監(jiān)測.因此，引入電子設(shè)備異常監(jiān)測有助于進一步提升宿舍安全水平.

（3）突發(fā)群體事件監(jiān)測.突發(fā)群體事件具有偶然性、突發(fā)性、發(fā)展迅速、參與人數(shù)多的特性，常常發(fā)生于宿舍等高密度人群區(qū)域，群體事件一旦發(fā)生，學(xué)生的生命財產(chǎn)安全將會受到嚴重威脅.受制于隱私方面的限制，宿舍區(qū)域難以部署全方位的視頻監(jiān)控，這是目前宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié).引入突發(fā)群體事件監(jiān)測對及時制止群體事件的發(fā)生有重要意義.

（4）消防安全監(jiān)測.宿舍消防安全監(jiān)測一直是宿管的重點.傳統(tǒng)的消防安全監(jiān)測主要采取人工巡查和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的方式.隨著宿舍數(shù)量增多帶來的巡查人員工作量上升、消防設(shè)施老化及管網(wǎng)水壓不足、火災(zāi)預(yù)警滯后及虛警［7］等問題的出現(xiàn)，消防安全形勢愈發(fā)嚴峻.構(gòu)建精確及時的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)和智能化的消防設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)是提升宿舍消防安全檢測水平的關(guān)鍵.

2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

通過對宿舍安全監(jiān)測的需求分析可知，設(shè)計由電子設(shè)備異常監(jiān)測模塊、突發(fā)群體事件監(jiān)測模塊、消防安全監(jiān)測模塊組成的宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)可基本實現(xiàn)與學(xué)生生命相關(guān)的重大安全隱患全覆蓋.三種模塊采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后分別通過各自的LoRa節(jié)點無線傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，Lo-Ra網(wǎng)關(guān)將接收的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸至Web服務(wù)器，服務(wù)器完成對數(shù)據(jù)的存儲與可視化處理，并針對異常數(shù)據(jù)發(fā)送報警提示信息，用戶可通過智能終端或PC登錄服務(wù)器實時查詢宿舍安全監(jiān)測數(shù)據(jù).系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖1所示.

圖1 宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電子設(shè)備異常監(jiān)測模塊設(shè)計

電子設(shè)備在使用過程中如果發(fā)生漏電、短路、超負荷、接觸電阻過大等異常時，用電線路極易產(chǎn)生劇烈的電流波動、溫度升高的情況，嚴重時可產(chǎn)生電火花進而引發(fā)電氣火災(zāi).因此，實時監(jiān)測用電線路終端的溫度和剩余電流狀態(tài)可有效預(yù)防電子設(shè)備異常引發(fā)的火災(zāi)問題.本系統(tǒng)中分別采用pt100 鉑熱電阻溫度傳感器、LSY1-25剩余電流互感器監(jiān)測線路溫度和剩余電流，核心微控制器采用Cortex-M4 超低功耗單片機STM32L432，LoRa 無線傳輸芯片采用SX1278.本模塊硬件設(shè)計框圖如圖2所示.

圖2 電子設(shè)備異常監(jiān)測模塊硬件設(shè)計框圖

3.2 突發(fā)群體事件監(jiān)測模塊設(shè)計

通常情況下，宿舍樓內(nèi)的學(xué)生大致平均分散于各自的房間內(nèi)，如果短時間內(nèi)學(xué)生大量聚集到某一個區(qū)域內(nèi)，則發(fā)生群體事件的概率大幅度提高.因此，實時監(jiān)測宿舍內(nèi)學(xué)生人數(shù)密度變化情況能第一時間預(yù)警突發(fā)群體事件，為宿管和安保到場處置爭取寶貴時間.本系統(tǒng)采用TI公司最新推出的IWR1642 毫米波傳感器進行室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計.IWR1642 片內(nèi)集成一個600 MHz 的DSP 和一個200 MHz 的MCU，無需外接微處理器，可直接將區(qū)域內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計結(jié)果傳輸至LoRa 節(jié)點.本模塊硬件設(shè)計框圖如圖3所示.

圖3 突發(fā)群體事件監(jiān)測模塊硬件設(shè)計框圖

3.3 消防安全監(jiān)測模塊設(shè)計

消防安全監(jiān)測模塊分為兩部分：消防設(shè)施監(jiān)測和火災(zāi)監(jiān)測.消防設(shè)施監(jiān)測中采用MIK-P300水壓壓力傳感器實時采集消防栓內(nèi)的水壓狀態(tài)；采用ZAZ-020 電容指紋模塊對巡檢人員進行簽到.火災(zāi)監(jiān)測采集溫度、CO、CO2、煙霧四種特征量，具體傳感器選型為：CO 和CO2分別選用偉勝公司的ME2-CO 傳感器和MH-Z19B 傳感器，溫度信息采用DHT11傳感器，煙霧信息采用MQ-2傳感器.本模塊硬件設(shè)計框圖如圖4所示.

圖4 消防安全監(jiān)測模塊硬件設(shè)計框圖

3.4 LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)接收多個LoRa節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，硬件組成包括電源模塊、SX1278射頻模塊、主控芯片、WiFi通信模塊四部分.考慮到LoRa 網(wǎng)關(guān)是匯聚節(jié)點，數(shù)據(jù)處理量較大且有穩(wěn)定的供電電源，因此選用高性能微處理器STM32F407.網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信采用無線WiFi模塊ESP8266.硬件設(shè)計框圖如圖5所示.

圖5 LoRa網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 監(jiān)測模塊及LoRa節(jié)點軟件設(shè)計

監(jiān)測模塊監(jiān)測的各類傳感數(shù)據(jù)通過LoRa節(jié)點傳輸至LoRa 網(wǎng)關(guān).軟件流程圖如圖6 所示.首先，微處理器完成傳感器和LoRa節(jié)點的初始化；然后完成LoRaWAN 協(xié)議配置，選擇ClassA 工作模式，設(shè)定上行鏈路和下行鏈路相關(guān)信息，發(fā)送入網(wǎng)請求；之后判斷是否入網(wǎng)，如不成功，則根據(jù)入網(wǎng)請求定時器的請求周期決定下次入網(wǎng)請求時間，若入網(wǎng)成功，則開啟數(shù)據(jù)收發(fā)定時器進入數(shù)據(jù)收發(fā)前的休眠階段；之后讀取監(jiān)測模塊的傳感信息，在選擇通信頻率和頻道后發(fā)送至LoRa網(wǎng)關(guān)，發(fā)送結(jié)束后進入下一個周期.考慮到宿舍安全監(jiān)測的重要性，本系統(tǒng)每隔5秒發(fā)送一次入網(wǎng)請求，每隔15秒發(fā)送一次監(jiān)測數(shù)據(jù).

圖6 監(jiān)測模塊及LoRa節(jié)點軟件流程圖

4.2 LoRa網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖7所示.

圖7 LoRa網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

LoRa網(wǎng)關(guān)接收LoRa節(jié)點上傳的多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過ESP8266 無線WiFi 通信模塊發(fā)送至服務(wù)器.具體流程為：首先，LoRa 網(wǎng)關(guān)通過WiFi模塊向服務(wù)器發(fā)起連接請求，并進入等待狀態(tài).服務(wù)器收到連接請求后，向LoRa 網(wǎng)關(guān)發(fā)送確認信號.連接完成后，LoRa 網(wǎng)關(guān)接收來自節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行封裝后經(jīng)ESP8266 轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器.

5 結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)中存在的無線通信距離短、安全監(jiān)測指標少、安全隱患發(fā)現(xiàn)不及時等問題，從電子設(shè)備異常監(jiān)測、突發(fā)群體事件監(jiān)測、消防安全監(jiān)測三方面闡述了現(xiàn)階段宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng)的需求，同時結(jié)合無線通信技術(shù)LoRa 遠距離、低功耗、大容量、低成本的特點，設(shè)計了一種基于LoRa 的宿舍安全監(jiān)測系統(tǒng).本方案完成了系統(tǒng)框架設(shè)計，硬件方面詳細介紹了各個監(jiān)測模塊中的核心微控制器、傳感器、射頻通信芯片的選型與設(shè)計，軟件方面介紹了Lo-Ra 節(jié)點和LoRa 網(wǎng)關(guān)的工作流程.本研究為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)和運行提供了理論依據(jù).