杜坤 劉思江

摘要：針對傳統(tǒng)實驗室監(jiān)控系統(tǒng)存在功耗大、擴展性弱等問題，文中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種基于LoRa技術(shù)的實驗室設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，硬件使用RFID reader傳感器實現(xiàn)身份信息識別，使用SX1278射頻芯片實現(xiàn)監(jiān)控信息的遠距離無線傳輸，通過STM32對實驗室實時狀態(tài)進行采集;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)范來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和高效性。實驗測試結(jié)果表明，所設(shè)計的實驗室設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、功耗低、擴展性能強、迭代升級簡單等優(yōu)點，可以在實驗室建設(shè)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);實時狀態(tài);實驗室設(shè)備;LoRa;延時分析;系統(tǒng)測試

中圖分類號：TN948.64-34

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：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)來解決實驗室的安全問題成為可能。目前，實驗室安全問題的解決方案一般是對通過安裝攝像頭進行監(jiān)控，但這樣只是對實驗室的當(dāng)前環(huán)境信息做一個傳遞，并未對所采集到的圖像信息進行篩選和處理，僅能作為事故分析的參考，不能提前做出預(yù)警工作，效率低且實時性差。此外，文獻[1]提出基于RS 485總線的監(jiān)控系統(tǒng)，但由于其需要對實驗室設(shè)備重新布局布線，會消耗大量的時間與精力;文獻[2]提出基于ZigBee無線通信技術(shù)的實驗室設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但應(yīng)用于距離較遠、分布零散的實驗室時效果并不理想。本文采用LoRa技術(shù)實現(xiàn)實驗室設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，并結(jié)合LoRa技術(shù)在長距離通信領(lǐng)域的優(yōu)勢[3]，在LoRa服務(wù)器與Web服務(wù)器之間建立MQTT協(xié)議鏈路來減小延時。同時還采用Docker容器技術(shù)和ADC-MAC協(xié)議來提高運行效率，改善系統(tǒng)性能，并分析DTOP與DSAB機制分析系統(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)實現(xiàn)的新興技術(shù)，其不但彌補了ZigBee技術(shù)的不足，還實現(xiàn)了遠距離、大容量的無線通信。LoRa采用Chirp擴頻調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)868 MHz，915 MHz，433 MHz三個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)的一個分支，其采用CSS技術(shù)降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的功率消耗，具有ClassA/B/C這3種工作模式[5]對應(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終端工作長達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，可以通過改變其模塊內(nèi)部接收天線的金屬覆蓋度來提高信號傳送距離。在未有障礙物遮擋的條件下，可達到8-10 km的遠距離傳輸，擴大通信范圍。

3）抗干擾性強

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，終端接收到的信號中會混有大量的噪聲信號，通過該技術(shù)可以較好地恢復(fù)原始信號，對比FSK和OOK具有明顯的優(yōu)勢[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、LoRa服務(wù)器和LoRa節(jié)點4個部分[7-8]。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相連接，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給Web服務(wù)器進行數(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)點與Web服務(wù)器采用無線連接”[10]。

2 實驗室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

實驗室設(shè)備管理主要包括設(shè)備溫度的檢查、電源狀態(tài)檢測等。若采取傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，則需安排監(jiān)測人員對監(jiān)控信息進行記錄和分析，導(dǎo)致工作任務(wù)量大，且檢查結(jié)果受主觀因素影響大，還會由于人為失誤導(dǎo)致故障發(fā)現(xiàn)不及時而發(fā)生危險。應(yīng)用LoRa技術(shù)，可以將報警設(shè)備連接到LoRa網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，將實驗室的各個終端設(shè)備看作LoRa節(jié)點，節(jié)點實時將狀態(tài)信息經(jīng)由網(wǎng)關(guān)上傳至監(jiān)控平臺，從而實現(xiàn)遠距離通信。該系統(tǒng)不僅可以支持4G，WiFi等無線通信方式，也可通過有線的方式連接到網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能有實驗室環(huán)境監(jiān)管（溫度、煙霧濃度等）;實驗室進出人員記錄;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)的實驗室設(shè)備實時狀態(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，同時同步到后臺數(shù)據(jù)庫，最后顯示到監(jiān)控終端設(shè)備。且在實驗室邊界布置RFID reader傳感器，實驗室工作人員會佩戴證明其身份的RFID工作證。在人員進入實驗室時，會對身份信息進行采集和分析。若證實身份則進行登記，若非實驗室工作人員則會觸發(fā)警報。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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、無線傳輸模塊、LoRa節(jié)點等，負(fù)責(zé)對數(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）無線傳輸模塊。使用SX1278射頻芯片完成長距離的無線傳輸功能。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)是實驗室專用管理平臺，通過內(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Web服務(wù)器部署在Docker容器上構(gòu)成一個整體，便于向云端遷移和擴展。系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)采用MySQL存儲，MySQL選擇長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出錯狀況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊上傳至數(shù)據(jù)庫。

3 低延時設(shè)計

3.1 系統(tǒng)延時分析

圖2給出數(shù)據(jù)在監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸時存在的延時情況。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，該部分時間主要用于處理網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)并進行存儲;T4用于Web服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)庫大小決定;T5時間段用于應(yīng)用程序發(fā)起并接收請求的過程，由網(wǎng)絡(luò)狀況與Web服務(wù)器的運存狀態(tài)決定。

3.2 系統(tǒng)延時解決方案

由于實驗室設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中對實時性的要求較高，若預(yù)警不及時則會引起嚴(yán)重的后果。因此，本設(shè)計中使用MQTT和WebSocket技術(shù)來實現(xiàn)低延時實驗室監(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，其通信過程如圖3所示。其通過HTTP通道復(fù)用，使用HTTP端口進行通信。

MQTT技術(shù)即消息隊列遙測傳輸技術(shù)，其是IBM發(fā)布的一種基于發(fā)布一訂閱機制的“輕量級”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)整體延時時間的問題。在本設(shè)計中，將Web服務(wù)器端設(shè)置為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲃臃?，采用WebSocket技術(shù)將終端數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)頁上。同時，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)庫帶來的時間耗費過多問題。

4 低功耗設(shè)計

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，減少系統(tǒng)功耗也成為本設(shè)計的一個重點問題。

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)的時間有限。因此，若LoRa終端能夠了解數(shù)據(jù)何時到達并根據(jù)數(shù)據(jù)大小來控制使用的接收窗口數(shù)量，則LoRa終端的功耗就會大幅度降低。本文使用DOTP機制進行低功耗的設(shè)計。在本設(shè)計中，終端會根據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的大小以及相應(yīng)的信號強度，關(guān)閉多余的ping時隙，從而有效地解決ping時隙過度開發(fā)導(dǎo)致功耗大的問題。其時隙打開和關(guān)閉的情況，如圖4所示。

根據(jù)圖4對系統(tǒng)的功耗進行如下分析。

當(dāng)不適用低功耗設(shè)計時，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)計方法后，其功耗為：

w2 =TP1+ 0.03（m-n）P1+

（2）

[128 -T - 0.03（m-n）]P2

通過對比可知，本文提出的低功耗設(shè)計方法有效地降低了LoRa終端的功能。

5 功能與性能測試

為了測試本文設(shè)計的實驗室設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，在某校的教學(xué)樓二樓各實驗室安裝基于LoRa的煙霧、溫濕度、視頻監(jiān)控節(jié)點，并在LoRa服務(wù)層中，對各節(jié)點狀況進行監(jiān)測。

5.1 功能測試

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

5.2 性能測試

本監(jiān)控系統(tǒng)最重要的工作指標(biāo)是其延遲性能，本文采用自動測試工具，對所設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延時進行測試。圖5為本文設(shè)計方案與傳統(tǒng)的設(shè)計方案對比測試結(jié)果。由圖可知，本文所設(shè)計的系統(tǒng)通信延時明顯小于傳統(tǒng)的方案，而且隨著監(jiān)測節(jié)點的逐漸增多，本方法的低延遲優(yōu)勢越發(fā)明顯。

6 結(jié)語

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

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作者簡介：杜坤（1982-），男，回族，河南商丘人，博士，講師，研究方向為教育信息化、信號與信息處理。