基于LoRa的實驗室設備實時狀態監控系統設計

杜坤 劉思江

摘要：針對傳統實驗室監控系統存在功耗大、擴展性弱等問題，文中結合物聯網技術，設計一種基于LoRa技術的實驗室設備實時狀態監控系統。在該系統中，硬件使用RFID reader傳感器實現身份信息識別，使用SX1278射頻芯片實現監控信息的遠距離無線傳輸，通過STM32對實驗室實時狀態進行采集;軟件采用Rocker容器技術、ADC-MAC協議和WebSock-et協議兼容MQTT規范來保證系統的穩定性、安全性和高效性。實驗測試結果表明，所設計的實驗室設備實時狀態監控系統具有運行穩定、功耗低、擴展性能強、迭代升級簡單等優點，可以在實驗室建設中廣泛應用。

關鍵詞：監控系統;實時狀態;實驗室設備;LoRa;延時分析;系統測試

中圖分類號：TN948.64-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0046-04

隨著通信技術的快速發展，使用物聯網技術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控，但這樣只是對實驗室的當前環境信息做一個傳遞，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總線的監控系統，但由于其需要對實驗室設備重新布局布線，會消耗大量的時間與精力;文獻[2]提出基于ZigBee無線通信技術的實驗室設備實時狀態監控系統，但應用于距離較遠、分布零散的實驗室時效果并不理想。本文采用LoRa技術實現實驗室設備實時狀態監控系統的設計，并結合LoRa技術在長距離通信領域的優勢[3]，在LoRa服務器與Web服務器之間建立MQTT協議鏈路來減小延時。同時還采用Docker容器技術和ADC-MAC協議來提高運行效率，改善系統性能，并分析DTOP與DSAB機制分析系統功耗，使得系統具有更優的性能。

1 LoRa技術

1.1 LoRa概述

LoRa技術是Semtech公司開發實現的新興技術，其不但彌補了ZigBee技術的不足，還實現了遠距離、大容量的無線通信。LoRa采用Chirp擴頻調制技術，實現868 MHz，915 MHz，433 MHz三個頻段的通信并能支持自適應數據速率或變速率信道[4]，使系統更具穩定性，且更適合部署大規模物聯網系統。

1.2 LoRa技術特性

1）低功耗

LoRa是低功耗廣域網的一個分支，其采用CSS技術降低數據傳輸過程中的功率消耗，具有ClassA/B/C這3種工作模式[5]對應不同的數據接收窗口狀態，可以靈活地適用不同需求。與現有的NB-IOT技術相比，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以下的網絡頻段，可以通過改變其模塊內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，其信道帶寬B較大。由香農公式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，通過該技術可以較好地恢復原始信號，對比FSK和OOK具有明顯的優勢[6]。

1.3 LoRa網絡結構

LoRa的網絡包括Web服務器、網關節點、LoRa服務器和LoRa節點4個部分[7-8]。

網關節點和終端節點采用拓撲結構相連接，數據通過網關發送給Web服務器進行數據的分析，并向LoRa終端發送數據接收成功的指令[9]。Web服務器與LoRa服務器采用有線連接，網關節點與Web服務器采用無線連接”[10]。

2 實驗室設備監控系統設計

2.1 系統功能

實驗室設備管理主要包括設備溫度的檢查、電源狀態檢測等。若采取傳統的監控系統，則需安排監測人員對監控信息進行記錄和分析，導致工作任務量大，且檢查結果受主觀因素影響大，還會由于人為失誤導致故障發現不及時而發生危險。應用LoRa技術，可以將報警設備連接到LoRa網絡系統中，將實驗室的各個終端設備看作LoRa節點，節點實時將狀態信息經由網關上傳至監控平臺，從而實現遠距離通信。該系統不僅可以支持4G，WiFi等無線通信方式，也可通過有線的方式連接到網絡。

系統需要實現的功能有實驗室環境監管（溫度、煙霧濃度等）;實驗室進出人員記錄;設備使用狀態反饋;預警設備故障。

2.2 系統架構

基于LoRa技術的實驗室設備實時狀態監控系統的結構框架如圖1所示。在數據采集模塊中嵌有大量射頻傳感器，其采集到各個設備的狀態信息經由LoRa網關上傳到服務器端，同時同步到后臺數據庫，最后顯示到監控終端設備。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警報。

2.3 系統硬件設計

數據采集系統主要包括傳感器模塊、數據處理模塊、無線傳輸模塊、LoRa節點等，負責對數據的采集、處理及發送。

1）傳感器模塊。根據當前監控位置的不同，用戶選擇需要接人的傳感器模塊也不盡相同;

2）數據處理模塊。數據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 系統軟件設計

本文設計的監控系統是實驗室專用管理平臺，通過內網連接，信息專用且安全性高。該系統采用Docker容器技術，多個Web服務器部署在Docker容器上構成一個整體，便于向云端遷移和擴展。系統后臺的數據采用MySQL存儲，MySQL選擇長連接方式可以確保數據穩定傳輸，避免在頻繁通信的情況下發生的Socket出錯狀況。數據采集系統將采集到的數據通過GPRS模塊上傳至數據庫。

3 低延時設計

3.1 系統延時分析

圖2給出數據在監控系統中傳輸時存在的延時情況。圖中，T1，T2由網絡狀況決定;T3由LoRa服務器硬件設備的處理速度決定，該部分時間主要用于處理網關上傳的數據并進行存儲;T4用于Web服務器讀取數據庫，由數據庫大小決定;T5時間段用于應用程序發起并接收請求的過程，由網絡狀況與Web服務器的運存狀態決定。

3.2 系統延時解決方案

由于實驗室設備實時狀態監控系統中對實時性的要求較高，若預警不及時則會引起嚴重的后果。因此，本設計中使用MQTT和WebSocket技術來實現低延時實驗室監控預警功能。WebSocket技術是基于TCP連接的全雙工通信協議，其通信過程如圖3所示。其通過HTTP通道復用，使用HTTP端口進行通信。

MQTT技術即消息隊列遙測傳輸技術，其是IBM發布的一種基于發布一訂閱機制的“輕量級”協議。MQTT基于TCP/IP協議，提供一種可靠的雙向數據傳輸機制，適用于不同需求的物聯網應用系統。為了解決終端數據上傳周期不同，而影響系統整體延時時間的問題。在本設計中，將Web服務器端設置為數據傳輸的主動方，采用WebSocket技術將終端數據上傳到網頁上。同時，采取在LoRa服務器和Web服務器端建立MQTT鏈路，以此解決Web服務器周期性讀取數據庫帶來的時間耗費過多問題。

4 低功耗設計

在LoRa系統的生命周期主要由LoRa終端的使用壽命決定，而在提高終端數據傳輸速率的同時，減少系統功耗也成為本設計的一個重點問題。

在LoRa的3種工作模式中，Class B的應用范圍最廣。而在該模式下，LoRa終端接收數據的時間有限。因此，若LoRa終端能夠了解數據何時到達并根據數據大小來控制使用的接收窗口數量，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計。在本設計中，終端會根據服務器發送數據的大小以及相應的信號強度，關閉多余的ping時隙，從而有效地解決ping時隙過度開發導致功耗大的問題。其時隙打開和關閉的情況，如圖4所示。

根據圖4對系統的功耗進行如下分析。

當不適用低功耗設計時，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

為了測試本文設計的實驗室設備實時狀態監控系統，在某校的教學樓二樓各實驗室安裝基于LoRa的煙霧、溫濕度、視頻監控節點，并在LoRa服務層中，對各節點狀況進行監測。

5.1 功能測試

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

5.2 性能測試

本監控系統最重要的工作指標是其延遲性能，本文采用自動測試工具，對所設計系統的數據傳輸延時進行測試。圖5為本文設計方案與傳統的設計方案對比測試結果。由圖可知，本文所設計的系統通信延時明顯小于傳統的方案，而且隨著監測節點的逐漸增多，本方法的低延遲優勢越發明顯。

6 結語

本文以物聯網技術作為切人點，以實驗室設備狀態監控為目標，采用LoRa技術，設計實現了基于LoRa技術的實驗室設備實時狀態監控系統。該系統在一定程度上解決了實驗室中存在的安全隱患，同時實現不同實驗室采用同一套監控系統，解決實驗室監控系統的操作復雜、高延遲及高耗能等缺點。此外，該監控系統還可以根據不同的需求進行擴容，從而滿足更高層次的要求。

參考文獻

[1]高金轉，嚴帥，張會新，基于RS 485總線的ADS1258數據采集網絡系統設計與實現[J]現代電子技術，2018，41（7）：174-177.

GAO Jinzhuan. YAN Shuai， ZHANG Huixin. Design and im—plementation of ADS1258 data acquisition network svstembased on RS 485 bus [J]. Modern electronics technique， 2018，41（7）：174-177.

[2]湯仕暉.基于ZigBee無線網絡的實驗室安全監控系統[D].寧波：寧波大學，2015.

TANG Shihui. Laboratory safety monitoring system based onZigBee wireless network [D]. Ningbo： Ningbo University， 2015.

[3]劉輝席，楊禎，朱珠，等.基于LoRa物聯網技術的實驗室安全監測系統的設計與實現[J]實驗技術與管理，2019.36（7）：243- 247.

LIU Huixi， YANG Zhen， ZHU Zhu. et al.Design and realiza-tion of laboratory safety monitoring system based on LoRa Inter-net of things technique [J]. Experimental technology and man-agement， 2019. 36（7）： 243-247.

[4]萬雪芬，崔劍，楊義，等.基于智能手機的LoRa無線傳輸效能測試研究[J].現代電子技術，2018 .41（ 21）：7-11.

WAN Xuefen. CUI Jian. YANG Yi. et al.Study on smart-phone - based performance test of LoRa wireless transmission[J]. Modern electronics technique， 2018. 41 （21）： 7-11.

[5]汪平，基于LoRa的低功耗通信網絡性能優化技術研究[D].重慶：重慶理T大學，2019.

WANG Ping. Research on performance improvement method oflow power wide area network based on LoRa[Dl. Chongqing：Chongqing University of Technology， 2019.

[6]王鵬，劉志杰，鄭欣.LoRa無線網絡技術與應用現狀研究[J]信息通信技術，2017，11（5）：65-70.

WANG Peng， LIU Zhijie， ZHENG Xin. Research on LoRawireless network technology and application actuality [J]. Infor-mation and communications technologies， 2017， 11（5）： 65-70.

[7]高祥凱，耿淑琴，何蘊良，等，基于LoRa技術的網絡終端無線程序升級系統研究[J]單片機與嵌入式系統應用，2017（10）：21-24.

GAO Xiangkai， GENG Shuqin， HE Yunliang， et al.Researchon network terminal wireless program upgrade system based onLoRa technology [J]. Microcontrollers &embedded sYstems，2017（ 10）：21-24.

[8]陳亞飛，基于LoRa技術的區域安防報警系統設計與實現[D]. 邯鄲：河北工程大學，2018.

CHEN Yafei. Design and implementation of area security alarmsystem based on LoRa technology [D]. Handan： Hebei Univer-sity of Engineering. 2018.

[9]孫曼，張乃謙，金立標，等，基于LoRa標準的MAC層協議研究[J]電視技術，2016，40（10）：77-81.

SUN Man. ZHANG Naiqian， JIN Libiao， et al.Research on MAC layer protocol based on LoRa standard [J]. Televisiontechnology， 2016， 40（ 10）： 77-81.

[10]楊禎，基于LoRa技術的校園環境無線監測系統的設計與實現[D].武漢：華中師范大學，2018.

YANG Zhen. Design and implementation of campus environ-ment wireless monitoring system based on LoRa technology[D]. Wuhan： Central China Normal University， 2018.

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。