基于LoRa技術的檔案庫環境智能監測控制系統設計

關姝睿

（煙臺大學，山東煙臺，264005）

0 引言

干部人事檔案是貫徹落實新時代黨的組織路線的重要基礎，對建設高素質專業化干部隊伍、做好干部培養和選任工作有著重要作用[1]。我國干部人事檔案正式形成于延安時期的干部審查工作[2]，1938年中共中央下發《關于大量發展黨員的決議》，1939年中共中央下發《關于鞏固黨的決定》，兩份文件指出我黨要“廣招天下士”、“誠納四海人”、“審查黨員成份，清刷混入黨內的異己分子”、“先審查各級干部，保證黨的各級黨的領導機關掌握在經過考驗與忠實可靠的干部手中”。據此，干部人事檔案審查和人事檔案管理工作逐步走上正軌。

進入新時代，我黨對人事檔案管理工作提出了更高的要求。2018年，中共中央辦公廳為深入貫徹落實習近平新時代中國特色社會主義思想和黨的十九大精神，深入落實全國組織工作會議精神，印發《干部人事檔案工作條例》，提出黨管干部、黨管人才；依規依法、全面從嚴；分級負責、集中管理；真實準確、完整規范；方便利用、安全保密等五項干部人事檔案工作原則，并提出干部檔案要服務廣大干部人才，服務黨的建設新的偉大工程，服務新時代中國特色社會主義偉大事業；2020年黨的十九屆五中全會提出“全面貫徹新時代黨的組織路線”，這對干部人事檔案管理的科學化水平以及檔案的信息化建設提出了更高的要求。在新時代背景下，檔案也成為講好紅色故事的黨史資源和寶貴的精神財富。

人事檔案管理遵循嚴格的管理規范，《檔案庫房技術管理暫行規定》[3]（以下簡稱《規定》）要求紙質檔案庫溫度應控制在14～24℃，濕度應控制在45%～60%。然而，目前在很多檔案管理部門，考慮到能耗和操作的復雜性，并沒有對溫度和濕度加以控制。即使在一些管理比較規范的單位，也僅僅是打開24小時工作的空調調節溫度，在濕潤季節，打開空調的除濕功能或除濕器調節濕度，這些操作不僅耗費大量能源，而且無法實現溫度和濕度的精確控制、閉環控制和遠程監控。

LoRa是一種低功耗廣域網(Low-Power Wide-Aera Network, LPWAN)通信技術，具有功率低、傳輸距離遠、易于安裝部署等特點[4]，目前已經在環境監測[5]、工業物聯網[6]、智能建筑[7]、車輛追蹤[8]和智慧農業[9]等領域取得了廣泛應用。

為解決檔案庫溫濕度控制問題，本研究結合LoRa技術和嵌入式技術，設計了一款能夠遠程監控的自適應溫度、濕度調節裝置。

1 系統概述

本系統包含監測控制模塊和遠程管理平臺，如圖1所示。監測控制模塊數量可根據實際需求增加或減少，不同的監測控制模塊可以安裝在多個檔案庫或同一個檔案庫的不同區域。每個監測控制模塊包含微控制器、LoRa模塊、溫度傳感器、濕度傳感器和繼電器。遠程管理平臺安裝在檔案館區辦公室，包含安裝LabView的計算機和LoRa模塊。多個監測控制模塊和遠程管理平臺之間采用星型組網的方式連接。

圖1 系統結構框圖

在本系統中，遠程管理平臺可以發送指令，指示監測控制模塊讀取傳感器數據，測量結果通過LoRa網絡回傳至遠程管理平臺，管理平臺可存儲一段時間的測量結果，以供回查。根據當前溫濕度和用戶設置，遠程管理平臺可以開啟或關閉繼電器，以控制空調和除濕器，繼而實現環境溫度和濕度的遠程、精確、閉環控制。

2 硬件設計

■2.1 電源及微控制器模塊

監測控制模塊由12 V開關電源供電，板上使用DC-DC芯片LM2596降壓至5 V，然后經LDO芯片LM1117-3.3降壓至3.3V供系統使用。選用STM32F103C8T6為主控芯片，該芯片采用Cortex-M3 32位RISC內核，工作頻率最高可達到72MHz，具有64KB的Flash和20KB的SRAM。

■2.2 LoRa模塊

LoRa無線通信選用正點原子ATK-LORA-01模塊。該模塊工作電壓為3.3～5V，最大通信距離可達3000m。模塊內部使用SX1278擴頻芯片，工作頻率為410MHz～441MHz，以1MHz頻率為步進信道，共32個信道，可通過AT指令在線修改串口速率、發射功率、空中速率、工作模式等各種參數。

本系統的監測控制端和遠程管理平臺都需要使用本模塊。對于監測控制端，STM32F103通過串口與LoRa模塊連接，如圖2所示，圖中TXD和RXD為串口數據線，MD0和AUX用于功能配置和固件升級；對于遠程管理平臺，計算機通過USB轉TTL芯片與本模塊連接。

圖2 LoRa模塊與STM32連接示意圖

■2.3 傳感器模塊

AM2302是一款數字信號輸出的溫度濕度復合傳感器，內部包含一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件。該傳感器電壓范圍為3.3～5.5V，溫度量程為-40～80℃，分辨率0.1℃，精度±0.5℃；濕度量程為0～99.9%，分辨率0.1%，精度±2%。測量范圍及精度能夠滿足檔案庫對溫濕度的測量要求，十分適合在本場景下使用。該傳感器通過3引線（單總線接口）與STM32連接，即除電源和地外，只需要傳感器的SDA端口與處理器的GPIO連接。

3 軟件設計

■3.1 LoRa通信

3.1.1 LoRo模塊通信模式

ATK-LORA-01模塊具有透明傳輸、定向傳輸和廣播與監聽3種通信模式，本系統選擇定向傳輸模式，即每個設備都具有獨立的設備地址和信道，數據在設備與設備之間點對點傳輸，數據格式為“地址（2字節）+信道（1字節）+數據（N字節）”。例如，設備A地址為0x1234，信道為0x17，設備B地址為0xABCD，信道為0x01，設備C地址為0x1256，信道為0x13。若設備A發送ABCD 01 AA BB CC DD，則設備B將收到AA BB CC DD；若設備A發送12 56 13 AA BB CC DD，則設備C將收到AA BB CC DD。

在本系統中，將監測控制模塊1地址設置為0x1111，監測控制模塊2地址為0x2222，遠程管理平臺地址為0xAAAA，3個設備信道相同，均為0x01。

3.1.2 主從通信

遠程管理平臺與監視控制模塊之間采用主從通信模式，其中，遠程管理平臺為主設備，監視控制模塊為從設備。主設備可以主動發起通信，請求查詢或控制從設備的傳感器和繼電器，而從設備不能主動發起通信，只能對主設備的問詢進行應答。本系統定義了握手指令、讀取傳感器狀態、讀取繼電器狀態、開啟/關閉繼電器4種指令。

握手指令格式如表1所示。握手指令用來保證數據通路暢通，主設備發送0x11，從設備回復0x00；主設備再次發送0x11，從設備回復0xFF。若兩次數據傳輸正確，則表示通路暢通，可以進行后續的操作。在每次數據通信前，都要進行握手。

表1 握手指令

讀取傳感器狀態指令如表2所示，指令碼為08，F8為校驗和。當監視控制模塊收到該指令后，若接收校驗錯誤，則返回接收錯誤指令06 01 04，其中04為校驗和。若接收校驗正確，則返回測量結果，測量結果由7個字節組成，其中幀頭為06，ERROR字節為00，溫濕度測量保存在BYTE0至BYTE3，校驗和為CHECKSUM。

表2 讀取傳感器狀態指令

讀取繼電器狀態指令如表3所示，指令碼為06，FA為校驗和，在返回的數據中BYTE0 BYTE1為讀取到的繼電器狀態，在實際應用中可以根據繼電器的數量對字節數量進行增減。通信模式與讀取傳感器狀態指令相同。

表3 讀取繼電器狀態指令

設置繼電器狀態指令如表4所示，指令碼為04，BYTE0 BYTE1為要設置的繼電器狀態，CHECKSUM為校驗和。從設備接收到指令后，返回應答指令，并執行相應的操作。

表4 設置繼電器指令

■3.2 嵌入式軟件程序

在監測控制端，STM32軟件程序主要作用是解析串口數據，并進行數據讀取和發送。除必要的校驗外，流程圖如圖3所示，如果接收到的指令碼為0x11，則執行握手操作；如果接收到的指令碼為0x08，則讀取AM2302傳感器，并將讀取的溫濕度數據添加幀頭和校驗字節后發送給遠程管理平臺；如果接收到的指令碼為0x06，則返回繼電器狀態給遠程管理平臺；如果收到的指令碼為0x04，則將指令碼后的2字節數據賦值給繼電器狀態寄存器。

圖3 監測控制端軟件流程圖

■3.3 上位機軟件設計

LabView是美國國家儀器（NI）公司研制的圖形化程序開發環境，在測試測量、儀器控制等領域應用廣泛[8,9]。本系統使用LabView設計上位機軟件，界面如圖4所示。

圖4 上位機軟件界面

在使用本軟件時，首先需要設置模塊地址、采樣間隔時間、濕度和溫度的閾值電壓等基本信息。由于當空調和除濕器開啟后，一定時間后環境溫濕度才會變化，因此設置的溫濕度下限應高于《規定》要求，上限應低于《規定》要求。軟件通過VISA串口與LoRa模塊通信，自動讀取傳感器數值，智能化開啟或關閉繼電器。當通信失敗或溫濕度超出《規定》中的要求時，發出警告，以提示用戶設備發生故障。此外該軟件具有手動單次讀取當前溫濕度，手動開啟或關閉空調、

除濕器功能。

4 結論

本研究基于LoRa無線通信技術和嵌入式技術，設計了用于人事檔案庫的溫濕度管理系統，該系統已經在我校檔案庫進行了實踐應用，應用結果表明，該系統能夠全面、準確地保障檔案存儲環境適宜，促進了人事檔案管理的信息化建設。