基于LORA的遠程分布式實驗室管理系統設計

韓團軍， 黃朝軍， 陳俊堯， 唐友金

（陜西理工大學物理與電信工程學院，陜西漢中 723000）

0 引 言

近年來實驗室安全所造成的財產損失和人身傷亡事件時有發生，如何科學有效地管理和監測實驗室環境成為科技研究的重點，由于各實驗室環境的不同和分布不同，傳統的實驗室安全監測設備布線復雜、可靠性比較低［1-3］。本文提出了一種以LoRa為核心技術的遠程分布實驗室管理系統，LoRa組成該系統的數據傳輸網絡，通過GPRS模塊將所接收到的2個節點的數據進行打包處理，將這些數據發送給ONENET云平臺上，云平臺對數據進行顯示和統計分析。該系統運行穩定、方便、可靠可以為實驗室進行推廣。

1 系統結構

系統主要由數據監測單元、管理單元、服務器和用戶終端構成，檢測數據單元由各類傳感器和LORA構成檢測各節點的數據，將檢測到的數據發送給主要管理單元的傳輸網絡、傳輸節點匯總網絡接收數據并打包，打包后的數據通過GPRS模塊傳至云平臺和用戶終端。整個實驗室管理系統的網絡結構如圖1所示。

圖1 實驗室管理系統的網絡結構圖

2 系統硬件

整個硬件系統分為數據監測單元、管理單元兩部分，數據監測單元由STM32F4系列主控芯片，LoRa無線通信模塊和傳感器組成。控制器將不同監測節點采集到的數據通過LoRa模塊發送給匯總節點，通過GPRS將所有數據打包發送給ONENET云服務平臺和手機APP，通過云平臺和手機APP設置閾值實現報警。整個系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

2.1 電源電路

圖3 系統電源設計

主控芯片和各傳感器對電壓的要求分別為5 V和3.3 V。使用AMS1117穩壓芯片設計5 V穩壓電路，得到穩定的5 V電壓可為無線通信傳感器進行供電，通過穩壓芯片將5V電壓轉化為3.3 V為其余傳感器供電［4-5］。整個系統的電源如圖3所示。

2.2 煙霧傳感器電路

煙霧傳感器電路設計采用MQ-5傳感器，可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電壓輸出信號。MQ-5擁有其獨有的雙路輸出模式，輸出端接口為DOUT，是的數字電平輸出端，AOUT為模擬電壓輸出端，通過單片機的A／D通道與DO腳相連接，將采集到的電壓進行數據處理，也可使用中斷服務程序進行處理。通過電位器設置煙霧氣體濃度閾值，當所檢測氣體濃度達到所設置電壓閾值［6］，即可觸發中斷服務子程序。傳感器電路如圖4所示。

圖4 煙霧氣體傳感器電路圖

2.3 火焰檢測傳感器電路設計

火焰傳感器模塊可以檢測760～1 100 mm范圍內的光源，探測角度可達到60°左右，對火焰光譜檢測較為靈敏，同時靈敏度也可進行實時調整，檢測信號通過電壓比較器LM393輸出。模塊的工作電壓為3.3～5 V。火焰檢測傳感器電路如圖5所示。

圖5 火焰檢測傳感器電路

2.4 GPRS模塊電路設計

系統通信模塊選用ATK-SIM800C-V15GPRS。它具有體積小，性價比高，工作性能穩定，工作頻段在GSM＼GPRS850＼900＼1 800＼1 900 MHz，可以在低功耗下實現SMS，語音數據信號傳輸。GPRS模塊在系統中作為協調器和服務器之間的橋梁，將采集的數據上傳至云平臺ONENET。在串口助手上輸入AT指令，觀察內嵌的TCP協議能否連接正常，將其板子連接觀察串口助手上的數據發送。模塊的TTL電平串口通信連接方式進行數據傳輸，采用12V1A的電源供電源適配器［7-9］。GPRS模塊最小系統電路如圖6所示。

圖6 GPRS模塊最小系統

3 系統的軟件設計

整個系統的軟件包含監測節點、匯總節點和云平臺3部分。

3.1 檢測節點軟件

檢測節點由STM32F407、各傳感器、LoRa模塊組成，采集實驗室內的各項環境數據，室內溫濕度數據通過DHT11模塊單總線協議與主控芯片的I／O口進行通信，與單片機的PC8管腳相連接，使用I／O口模擬IIC協議的通信時序，得到經過處理的溫濕度數據由LORA模塊發送給匯總節點。使用微控制器自帶的A／DC通道采集煙霧傳感器和火焰檢測器得到的采樣值進行處理，即可獲得所需要的煙霧濃度值和火焰傳感器反饋的高低電平，檢測節點流程如圖7所示。

圖7 檢測節點程序節點流程

3.2 匯總節點軟件

各個監測節點將數據處理、打包上傳到ONENET云平臺服務器端。兩個無線通信模塊的通信方式都是使用主控芯片STM32F4微控制器內的USART串口通信方式進行通信，不同的是：LORA模塊的數據傳輸與接收，與各個模塊之間的通信方式使用USART2串口進行通信；GPRS模塊通信，使用USART3串口進行通信。監測節點通過串口中斷方式采集數據信息，如果有數據信息傳入中斷會被觸發，所得數據信息會保存在緩沖寄存器中，在串口中斷處理函數中將緩沖寄存器中的數據信息一起保存到一個數組中，接收完一幀數據信息關閉串口1中斷，使用串口2發送數據信息。對于匯總節點，與上述發送數據開始步驟相同，有串口usart2接收來自LORA模塊傳來的數據，再由串口usart3將所獲得數據通過GPRS模塊發送給ONENET云平臺，使用3個串口進行通信，即可完全完成本次要求。匯總節點流程如圖8所示。

圖8 匯總節點流程

3.3 報警系統軟件

實驗安全管理系統的報警部分電路由單片機，各傳感器和蜂鳴器構成，溫濕度傳感器采集到的溫度數值≥50℃，或者，火焰傳感器所采集數值≥110將此值發送給主控節點進行報警。報警系統軟件流程見圖9。

圖9 報警系統工作流程

3.4 云平臺軟件

ONENET可以適配多種網絡環境和支持多種協議，可為不同硬件終端提供快速接入；該平臺可利用應用層提供的API和數據分析進行應用開發，滿足不同系統的功能要求。使用的時候不必再進行搭建設備接入層的環境，節省了開發和運維成本。系統選用EDP協議，采用TCP＋腳本的方式接入［10-15］。整個云平臺技術設計如圖10所示。

圖10 云平臺技術設計

4 系統測試及分析

實物顯示節點如圖11所示。可觀察到2個節點的各傳感器狀態，同時可以通過各個節點的顯示模塊OLED屏幕觀察到A、B節點的各項測量數值。

圖11 實物顯示節點

兩個監測節點數據直接發送給匯總主節點，即地址為0x01的主機單位，可以直觀地通過主節點地OLED屏幕觀察2節點各項環境監測數據，主節點OLED屏幕顯示兩節點的溫度數據，單個節點數據見表1。雙節點在同一環境下檢測數據見表2。通過數據分析，系統工作正常，實時數據分析如圖12所示。

同時數據可以通過云上傳可在手機APP端觀察到實時數據返送。

圖12 檢測節點數據統計圖

表1 單個節點監測數據

表2 A、B節點監測測量數據

5 結 語

本文設計了一種基于LoRa的遠程分布式實驗室安全管理系統，通過對整個系統測試分析驗證，該系統能準確監測實驗室環境的參數，使用ONENET云平臺能方便地對數據統計分析和預警。整個系統運行穩定、方便、可靠，可以為實驗室進行推廣。