基于LoRa的大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測系統

張震 蓋昊宇 朱煉

【摘要】構建基于LoRa的大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的無線傳感器組網模型，采用LoRa技術實現對工業潔凈室沉降菌動態監測的節點優化部署，結合隨機路由探測和最短路徑尋優方法，實現對工業潔凈室沉降菌動態監測的節點動態控制和路由協議設計。設計計數電路實現對動態監測數據的計數處理，通過濾波檢測器實現工業潔凈室沉降菌動態監測和濾波控制，提高監測的穩定性和準確性，在嵌入式的集成DSP信息處理器中實現對系統的硬件集成開發設計。仿真測試結果表明，設計的動態監測系統穩定性較好，準確度較高，動態監測能力較強。

【關鍵詞】LoRa技術;大規模集成電路;工業潔凈室;沉降菌動態監測;濾波控制

〔中圖分類號〕TP277 〔文獻標識碼〕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的發展，對集成電路制作環境提出了更高的要求。在高精密集成電路設計和制作過程中，要求環境保持較高的清潔度，需要對潔凈室環境進行細菌動態監測，設計大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測系統，以提高大規模集成電路工業潔凈室的降菌能力。對沉降菌動態監測的傳統方法主要有基于動態傳感節點定位的監測方法、基于CTP協議控制的沉降菌動態監測方法、基于隨機WSN節點部署的監測方法等[1-3]，傳統方法主要通過構建大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的WSN或者物聯網標簽節點模型，設計優化的路由探測控制方法，實現大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測。但傳統方法進行大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的穩定性不高，動態監控性能不好。針對上述問題，本文提出基于LoRa的大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測系統設計方法。

1 系統總體設計構造和功能結構分析

1.1 系統總體設計構造

系統主要有嵌入式PMOS控制和WSN動態監測模塊構成，采用Siemens公司的MC35i作為工業潔凈室沉降菌動態監測系統的主控芯片，大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測系統的總體結構構架如圖1所示。

根據圖1的總體設計構架，分析大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測數據的產生、發射、傳輸過程，進行動態監測的ZigBee組網控制，在LabWin-down/CVI平臺上構建監測系統的網絡協議平臺[4]，監測系統的網絡結構設計如圖2所示。

結合4G、5G和無線ZigBee網絡實現大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的網絡設計，通過可編程控制的FPGA芯片實現對集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的編程控制[5]，采用PXA255網關和MillennialNet構建工業潔凈室沉降菌動態監測的節點網絡動態部署模型。

1.2 監測系統的功能模塊分析

采用背板時鐘控制方法，實現沉降菌信息采集過程中的時鐘切換，通過外部觸發總線控制，建立信息傳輸的PXI總線協議，設計模擬信號預處理機制進行沉降菌動態監測的信息處理，通過動態增益控制的方法實現對潔凈室沉降菌動態監測的輸出增益控制的AD信息融合調度[6]，構建大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的HP E1562E數據記錄儀，系統的功能結構組成框圖如圖3所示。

在系統功能結構組成框圖的設計基礎上，結合傳感信息采集模塊、AD信息數模轉換模塊、上位機監測控制模塊、集成信息融合模塊、人機接口控制模塊以及集成電路控制模塊等組成模塊，完成對工業潔凈室沉降菌動態監測系統的模塊分析[7]。

2 監測系統的傳感節點優化部署設計

2.1 工業潔凈室沉降菌動態監測的傳感網絡節點部署

采用節點優化部署的方法，通過數據采集節點來提高數據傳輸的可靠性，得到工業潔凈室沉降菌動態監測的WSN混合匯聚節點數據特征序列，其中x（n）為動態監測輸出有限長的離散無序列，動態監測的動態傳輸控制模型為：

式中，0≤k≤N-1，采用空間參數重組方法，考慮節點能量、距離、能量效率的相關性因素，得到工業潔凈室沉降菌動態監測的離散特征分布序列，采用無線擴頻技術進行工業潔凈室沉降菌動態監測輸出的信道多徑擴展[8]，得到工業潔凈室沉降菌動態監測網絡的節點空間部署的特征分布序列為：

根據一級節點和簇頭節點的關聯關系，在工業潔凈室沉降菌動態監測網絡的傳輸輸信道中，得到實際場景中節點采集數據的節點分布最短距離為d，采用頻譜相關性檢測方法，數據通過多跳的方式實現信息融合，得到大規模集成電路工業潔凈室沉降菌采樣點分布為j=0，1，…，M，采用線性調頻方法計算大規模集成電路工業潔凈室沉降菌控制的檢測統計特征量Ej，并在整數N0，N1級信道中實現大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測的可靠性傳遞函數構建。大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測輸出的碼元序列為v0（n），v1（n），相應的頻譜分量為：

用H0（k）、H1（k）分別表示大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的RFID標簽序列，構建傳感器網絡主的混合匯聚節點的均衡調度模型，得到大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測網絡的節點空間規劃系統函數為：

對大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測傳輸節點進行自適應結構重組，提取大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測信道參數，得到監測系統的節點部署函數為：

由上述算法得到工業潔凈室沉降菌動態監測的傳感網絡節點部署模型，完成對傳感網絡節點的部署設計[9]。

2.2 工業潔凈室沉降菌動態監測的路由算法優化

采用LoRa技術實現對工業潔凈室沉降菌動態監測的節點優化部署，采用隨機路由探測和最短路徑尋優方法，得到工業潔凈室沉降菌動態監測的信道擴頻帶寬輸出優化解：

式中，b表示動態監測系統的探測頻率，采用頻譜特征分析，構建大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的統計特征量，通過模糊參數識別，得到大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的輸出序列為：

式中，x（m）表示工業潔凈室沉降菌動態監測模糊度函數。綜上分析，構建路由協議，采用LoRa協議，實現對大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測網絡的能量參數估計，網絡傳輸協議控制函數為：

式中，m>0，β是各簇節點到簇頭的平均距離，根據最小距離對應的二級節點分離結果，得到大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測的最優分布系數為：

式中，dj（k）表示節點數據傳輸融合度，根據上述分析，采用隨機路由探測和最短路徑尋優方法，實現對工業潔凈室沉降菌動態監測的節點動態控制和路由協議設計[10]。

3 系統硬件設計

工業潔凈室沉降菌動態監測系統主要通過DSP集成控制芯片實現程序控制和集成信息處理。采用5階開關電容低通濾波器實現對DSP的控制，通過低電平復位電路，構建動態監測系統的復位控制器，采用集成的PLC控制器實現對沉降菌動態監測系統的程控放大[11]，沉降菌動態監測系統的電源電路如圖4所示。

以UARTO作為大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測系統的RS232接口，采用DAVICOM公司的DM9000作為監測系統的程序加載控制器，設計系統的接口電路，設定動態監測系統的動態工作電壓為240V，AD信息采樣的電流為14mA，基于CD-MA模塊接人沉降菌動態監測系統網關[12]，實現動態監測系統集成電路的設計。

4 系統測試與結果分析

為了驗證本文方法在實現大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測中的應用性能，進行實驗測試。大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的傳感節點數目為1200，數據采集的長度為1024，每個監測節點之間的關聯系數為0.35，根據上述參數設定，將本文方法與文獻[1]和文獻[6]的方法進行對比，得到大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的準確度，如圖5所示。

分析圖5可知，本文方法動態監測控制能力較好，準確度較高。測試大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測系統的輸出穩態性，得到測試結果如圖6所示。

分析圖6可知，本文方法進行動態監測的穩定性較好。

5 結語

本文提出基于LoRa的大規模集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測系統設計方法。通過可編程控制的FPGA芯片實現對集成電路工業潔凈室沉降菌動態監測的編程控制，建立大規模集成電路工業潔凈室沉降菌信息傳輸的PXI總線協議，采用節點優化部署的方法，通過數據采集節點來提高數據傳輸的可靠性，采用LoRa協議，實現對大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測網絡的能量參數估計，實現系統硬件設計。系統測試表明，本文設計的大規模集成電路工業潔凈室沉降菌監測系統的穩定性和準確度較好，控制能力較強。

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[收稿日期]2021-02-10

[基金項目]安徽省高等學校自然科學研究重點項目“基于LoRa的電子行業工業潔凈室環境監控系統研究”（KJ2020A1096）;安徽省高等學校自然科學研究重點項目“基于物聯網的SMT車間環境監控系統研究”（KJ2019A1167）;安徽省省級質量工程項目“安徽工商職業學院安徽百視達科技有限公司創新實踐基地”（2020sjjd016）

[作者簡介]張震（1975-），男，碩士，安徽工商職業學院副教授，研究方向：計算機網絡技術與物聯網應用技術。