張震 蓋昊宇 朱煉

【摘要】構(gòu)建基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的無線傳感器組網(wǎng)模型，采用LoRa技術(shù)實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的節(jié)點優(yōu)化部署，結(jié)合隨機(jī)路由探測和最短路徑尋優(yōu)方法，實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的節(jié)點動態(tài)控制和路由協(xié)議設(shè)計。設(shè)計計數(shù)電路實現(xiàn)對動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的計數(shù)處理，通過濾波檢測器實現(xiàn)工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測和濾波控制，提高監(jiān)測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在嵌入式的集成DSP信息處理器中實現(xiàn)對系統(tǒng)的硬件集成開發(fā)設(shè)計。仿真測試結(jié)果表明，設(shè)計的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，準(zhǔn)確度較高，動態(tài)監(jiān)測能力較強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】LoRa技術(shù);大規(guī)模集成電路;工業(yè)潔凈室;沉降菌動態(tài)監(jiān)測;濾波控制

〔中圖分類號〕TP277 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1674-3229（2021）04-0065-05

0 引言

隨著高精密度集成電路技術(shù)的發(fā)展，對集成電路制作環(huán)境提出了更高的要求。在高精密集成電路設(shè)計和制作過程中，要求環(huán)境保持較高的清潔度，需要對潔凈室環(huán)境進(jìn)行細(xì)菌動態(tài)監(jiān)測，設(shè)計大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以提高大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室的降菌能力。對沉降菌動態(tài)監(jiān)測的傳統(tǒng)方法主要有基于動態(tài)傳感節(jié)點定位的監(jiān)測方法、基于CTP協(xié)議控制的沉降菌動態(tài)監(jiān)測方法、基于隨機(jī)WSN節(jié)點部署的監(jiān)測方法等[1-3]，傳統(tǒng)方法主要通過構(gòu)建大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的WSN或者物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽節(jié)點模型，設(shè)計優(yōu)化的路由探測控制方法，實現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測。但傳統(tǒng)方法進(jìn)行大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的穩(wěn)定性不高，動態(tài)監(jiān)控性能不好。針對上述問題，本文提出基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)造和功能結(jié)構(gòu)分析

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)造

系統(tǒng)主要有嵌入式PMOS控制和WSN動態(tài)監(jiān)測模塊構(gòu)成，采用Siemens公司的MC35i作為工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片，大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1的總體設(shè)計構(gòu)架，分析大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸過程，進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的ZigBee組網(wǎng)控制，在LabWin-down/CVI平臺上構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議平臺[4]，監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

結(jié)合4G、5G和無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，通過可編程控制的FPGA芯片實現(xiàn)對集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的編程控制[5]，采用PXA255網(wǎng)關(guān)和MillennialNet構(gòu)建工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)動態(tài)部署模型。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊分析

采用背板時鐘控制方法，實現(xiàn)沉降菌信息采集過程中的時鐘切換，通過外部觸發(fā)總線控制，建立信息傳輸?shù)腜XI總線協(xié)議，設(shè)計模擬信號預(yù)處理機(jī)制進(jìn)行沉降菌動態(tài)監(jiān)測的信息處理，通過動態(tài)增益控制的方法實現(xiàn)對潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的輸出增益控制的AD信息融合調(diào)度[6]，構(gòu)建大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的HP E1562E數(shù)據(jù)記錄儀，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3所示。

在系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成框圖的設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感信息采集模塊、AD信息數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)監(jiān)測控制模塊、集成信息融合模塊、人機(jī)接口控制模塊以及集成電路控制模塊等組成模塊，完成對工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的模塊分析[7]。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的傳感節(jié)點優(yōu)化部署設(shè)計

2.1 工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署

采用節(jié)點優(yōu)化部署的方法，通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的WSN混合匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)特征序列，其中x（n）為動態(tài)監(jiān)測輸出有限長的離散無序列，動態(tài)監(jiān)測的動態(tài)傳輸控制模型為：

式中，0≤k≤N-1，采用空間參數(shù)重組方法，考慮節(jié)點能量、距離、能量效率的相關(guān)性因素，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的離散特征分布序列，采用無線擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測輸出的信道多徑擴(kuò)展[8]，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點空間部署的特征分布序列為：

根據(jù)一級節(jié)點和簇頭節(jié)點的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的傳輸輸信道中，得到實際場景中節(jié)點采集數(shù)據(jù)的節(jié)點分布最短距離為d，采用頻譜相關(guān)性檢測方法，數(shù)據(jù)通過多跳的方式實現(xiàn)信息融合，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌采樣點分布為j=0，1，…，M，采用線性調(diào)頻方法計算大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌控制的檢測統(tǒng)計特征量Ej，并在整數(shù)N0，N1級信道中實現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測的可靠性傳遞函數(shù)構(gòu)建。大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測輸出的碼元序列為v0（n），v1（n），相應(yīng)的頻譜分量為：

用H0（k）、H1（k）分別表示大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的RFID標(biāo)簽序列，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)主的混合匯聚節(jié)點的均衡調(diào)度模型，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點空間規(guī)劃系統(tǒng)函數(shù)為：

對大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測傳輸節(jié)點進(jìn)行自適應(yīng)結(jié)構(gòu)重組，提取大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測信道參數(shù)，得到監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點部署函數(shù)為：

由上述算法得到工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署模型，完成對傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署設(shè)計[9]。

2.2 工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的路由算法優(yōu)化

采用LoRa技術(shù)實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的節(jié)點優(yōu)化部署，采用隨機(jī)路由探測和最短路徑尋優(yōu)方法，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的信道擴(kuò)頻帶寬輸出優(yōu)化解：

式中，b表示動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的探測頻率，采用頻譜特征分析，構(gòu)建大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的統(tǒng)計特征量，通過模糊參數(shù)識別，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的輸出序列為：

式中，x（m）表示工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測模糊度函數(shù)。綜上分析，構(gòu)建路由協(xié)議，采用LoRa協(xié)議，實現(xiàn)對大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的能量參數(shù)估計，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議控制函數(shù)為：

式中，m>0，β是各簇節(jié)點到簇頭的平均距離，根據(jù)最小距離對應(yīng)的二級節(jié)點分離結(jié)果，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測的最優(yōu)分布系數(shù)為：

式中，dj（k）表示節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸融合度，根據(jù)上述分析，采用隨機(jī)路由探測和最短路徑尋優(yōu)方法，實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的節(jié)點動態(tài)控制和路由協(xié)議設(shè)計[10]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要通過DSP集成控制芯片實現(xiàn)程序控制和集成信息處理。采用5階開關(guān)電容低通濾波器實現(xiàn)對DSP的控制，通過低電平復(fù)位電路，構(gòu)建動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)位控制器，采用集成的PLC控制器實現(xiàn)對沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的程控放大[11]，沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路如圖4所示。

以UARTO作為大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測系統(tǒng)的RS232接口，采用DAVICOM公司的DM9000作為監(jiān)測系統(tǒng)的程序加載控制器，設(shè)計系統(tǒng)的接口電路，設(shè)定動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)工作電壓為240V，AD信息采樣的電流為14mA，基于CD-MA模塊接人沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)[12]，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成電路的設(shè)計。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為了驗證本文方法在實現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實驗測試。大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的傳感節(jié)點數(shù)目為1200，數(shù)據(jù)采集的長度為1024，每個監(jiān)測節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.35，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，將本文方法與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[6]的方法進(jìn)行對比，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確度，如圖5所示。

分析圖5可知，本文方法動態(tài)監(jiān)測控制能力較好，準(zhǔn)確度較高。測試大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)性，得到測試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，本文方法進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)語

本文提出基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法。通過可編程控制的FPGA芯片實現(xiàn)對集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動態(tài)監(jiān)測的編程控制，建立大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌信息傳輸?shù)腜XI總線協(xié)議，采用節(jié)點優(yōu)化部署的方法，通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕捎肔oRa協(xié)議，實現(xiàn)對大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的能量參數(shù)估計，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計。系統(tǒng)測試表明，本文設(shè)計的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度較好，控制能力較強(qiáng)。

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[收稿日期]2021-02-10

[基金項目]安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點項目“基于LoRa的電子行業(yè)工業(yè)潔凈室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究”（KJ2020A1096）;安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的SMT車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究”（KJ2019A1167）;安徽省省級質(zhì)量工程項目“安徽工商職業(yè)學(xué)院安徽百視達(dá)科技有限公司創(chuàng)新實踐基地”（2020sjjd016）

[作者簡介]張震（1975-），男，碩士，安徽工商職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。