生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮 偉， 趙愛軍， 高 珂， 顧斌杰

（江南大學(xué)a.信息與控制國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；b.實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，江蘇無錫 214122）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的重要場所，也是科學(xué)研究和開發(fā)的重要平臺(tái)［1-3］。隨著各高校科研能力的提升，實(shí)驗(yàn)室的使用率越來越高，師生在實(shí)驗(yàn)室中工作的時(shí)間日益增多［1］。根據(jù)相關(guān)調(diào)查分析，科研型實(shí)驗(yàn)室?guī)熒趯?shí)驗(yàn)室的時(shí)間每周5 d 以上的人數(shù)占據(jù)了大約一半，4 ～5 d 的人數(shù)約占20%，2 ～3 d的人數(shù)約占20%［2］。隨著實(shí)驗(yàn)室使用頻率的加大，實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)，特別是環(huán)境安全保障系統(tǒng)的建設(shè)受到了更多的關(guān)注。

在實(shí)驗(yàn)室的各種環(huán)境安全影響因素中空氣污染是比較普遍和重要的因素，它直接影響著師生及科研人員的健康［2-3］。美國職業(yè)安全與衛(wèi)生管理局公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣污染導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室人員壽命比社會(huì)平均壽命短10 a左右［2］。在生化類實(shí)驗(yàn)室，試劑使用的種類多、頻率大，如果再存在危化品存儲(chǔ)和使用不當(dāng)、危險(xiǎn)廢棄物處置不規(guī)范等問題，會(huì)導(dǎo)致空氣中的污染物種類比一般實(shí)驗(yàn)室更多，濃度更高，對(duì)內(nèi)部工作的師生造成的危害更大。

為保證實(shí)驗(yàn)室工作人員的身體健康，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣污染控制及管理方法亟待更多的研究和探索。目前，部分高校建立了一些信息系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)管理對(duì)象是實(shí)驗(yàn)人員及危化試劑，沒有對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測，管理部門無法獲取空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；部分高校和科研機(jī)構(gòu)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)室安裝了氣體泄漏監(jiān)測裝置或空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置，但這些裝置只是單點(diǎn)監(jiān)測或作為通風(fēng)櫥等其他設(shè)備的附屬裝置，沒有與信息系統(tǒng)對(duì)接［4-6］。管理手段的不足及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中系統(tǒng)建設(shè)思維的缺失，嚴(yán)重影響了相關(guān)管理方法的制定。

針對(duì)生化類實(shí)驗(yàn)室空氣污染監(jiān)測的重要性及監(jiān)管缺失的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)并成功應(yīng)用于江南大學(xué)生化類實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)采用LoRa無線網(wǎng)絡(luò)及4G CAT.1 通信技術(shù)、云服務(wù)器和WEB頁面等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來采集、傳輸、處理空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量的全天候自動(dòng)監(jiān)管，為管理部門的決策提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

生化類實(shí)驗(yàn)室空氣污染由各種可影響實(shí)驗(yàn)人員身體健康的有毒氣體、顆粒物、揮發(fā)物及氣溶膠等物質(zhì)造成［2］。空氣污染物種類繁多，其中總揮發(fā)性有機(jī)物（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）危害最嚴(yán)重、污染分布最廣，目前已經(jīng)成為室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的首要指標(biāo)，長期吸入TVOC 會(huì)影響人體健康，許多TVOC成分已經(jīng)證明是致癌物或可疑致癌物［7］；甲醛、CO2、PM2.5、PM10、溫度、濕度也是影響實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作人員身體健康或舒適度的重要參考因素［8-9］。另外，空氣中煙霧濃度能預(yù)警火災(zāi)發(fā)生，也關(guān)系著實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過上述8 種傳感器采集空氣質(zhì)量參數(shù)，經(jīng)過傳輸、處理后由界面進(jìn)行展示、報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量的監(jiān)測。

圖1 所示為某生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，從實(shí)施的便利性和成本考慮，整個(gè)系統(tǒng)包括終端、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器、客戶端。終端安裝于需要監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室，它通過傳感器采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的空氣質(zhì)量參數(shù)，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給配對(duì)的網(wǎng)關(guān)，無需布線；網(wǎng)關(guān)接收終端傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)，打包后通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸給云服務(wù)器，根據(jù)實(shí)際情況，一棟樓或一層樓安裝1 個(gè)網(wǎng)關(guān)即可；云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)、處理整個(gè)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心；客戶端采用WEB頁面，通過瀏覽器訪問，用于用戶與系統(tǒng)的交互。

圖1 生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件主要包括終端和網(wǎng)關(guān)，二者安裝于監(jiān)測區(qū)域，通過LoRa 技術(shù)以多對(duì)一的方式進(jìn)行分時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

2.1 終端的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 終端的硬件方案設(shè)計(jì)

圖2 所示為終端的硬件功能框圖，主要包括主控模塊、電源模塊、LoRa 模塊、顯示模塊、傳感器模塊和語音模塊。

圖2 終端的硬件功能框圖

（1）主控模塊。該模塊負(fù)責(zé)整個(gè)終端的業(yè)務(wù)處理，由MCU 與其外圍電路組成。MCU 采用APM32F103CBT6，它具有96 MHz 的主頻、20K 片內(nèi)RAM、128K片內(nèi)FLASH、3 路USART、2 路SPI，完全可以滿足系統(tǒng)的功能要求，更重要的是它是國產(chǎn)芯片，價(jià)格、供應(yīng)穩(wěn)定性都比國外品牌的同類芯片具有優(yōu)勢。

（2）電源模塊。該模塊用于將開關(guān)電源提供的12 V直流電降為終端需要的直流電源。

（3）顯示模塊。該模塊用于人機(jī)交互，可以實(shí)時(shí)顯示空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和設(shè)置終端的參數(shù)。它選用淘晶馳7 寸HMI串口智能電容屏，具有電路設(shè)計(jì)簡單、界面設(shè)計(jì)方便美觀的特點(diǎn)，它與主控模塊采用UART 接口通信。

（4）傳感器。該模組用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部空氣質(zhì)量參數(shù)，為保證參數(shù)的精度，系統(tǒng)選用了商業(yè)化成品傳感器模組。其中，煙霧傳感器選用建大仁科RS-YGN01；其余空氣參數(shù)選用創(chuàng)瑞康多功能空氣質(zhì)量變送器，可以采集空氣的TVOC、甲醛、CO2、PM2.5、PM10、溫度、濕度等7 個(gè)參數(shù)。2 種傳感器數(shù)據(jù)接口均為RS-485，通信協(xié)議為Modbus RTU，數(shù)據(jù)讀取方便。

（5）顯示與傳感器模塊。該模塊使用MCU 的UART接口或擴(kuò)展485 電路。

2.1.2 LoRa模塊的選用

LoRa模塊負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交互。LoRa采用擴(kuò)頻技術(shù)，具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾和阻塞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適合復(fù)雜環(huán)境下的中遠(yuǎn)距離無線通信［10-11］。為降低設(shè)計(jì)難度和保證通信質(zhì)量，模塊選用商業(yè)化成品模組-安信可RA-01SC，它采用LLCC68 芯片方案。LLCC68 是Semtech公司的一款LoRa 射頻收發(fā)芯片，片內(nèi)集成高效功率放大器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)＋22 dBm的傳輸功率，覆蓋從150 MHz 到960 MHz 的連續(xù)頻率，適用于中距離室內(nèi)以及室內(nèi)到室外的無線應(yīng)用。

RA-01SC與主控模塊間采用SPI 接口通信。DIO接MCU的GPIO 口，并且此GPIO 口設(shè)置為外部中斷模式，用于判斷RA-01SC 事件的發(fā)生；BUSY_R 用于向MCU 指示當(dāng)前指令是否執(zhí)行完畢；NSS 可以強(qiáng)制RA-01SC終止正在執(zhí)行的指令。天線接口處需使用阻容組成π型匹配電路。3.3 V 電源至少要保證250 mA的電流，并推薦增加ESD器件。

2.1.3 語音模塊的選用

語音模塊用于在空氣質(zhì)量參數(shù)超標(biāo)時(shí)發(fā)出語音報(bào)警。語音模塊的核心芯片為WTN6096，是一款多功能單芯片CMOS語音合成4 位元微控制器，音頻采樣率高達(dá)32 kHz，可以16 級(jí)音量控制，具有PWM和DAC 2種語音輸出方式。

WTN6096 與MCU 的接口為一線串口，占用MCU管腳少，程序設(shè)計(jì)簡單。MCU通過TTL 電平即可控制語音播放；芯片的PA2 腳用于反饋當(dāng)前語音是否播放完畢；采用PWM直接驅(qū)動(dòng)無源喇叭的語音播放方式，語音內(nèi)容為定制，由專用燒錄器燒錄到芯片中。終端的實(shí)物如圖3 所示。

圖3 終端實(shí)物圖

2.2 網(wǎng)關(guān)硬件的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中起數(shù)據(jù)透傳轉(zhuǎn)發(fā)的作用，它接收云服務(wù)器的指令，解析后向終端轉(zhuǎn)發(fā)；終端接收到網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的指令并執(zhí)行后，向網(wǎng)關(guān)回復(fù)，網(wǎng)關(guān)解析后通過4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器。

2.2.1 網(wǎng)關(guān)的硬件方案設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的硬件功能框架圖如圖4 所示。主要由主控模塊、LoRa模塊、4G CAT.1 模塊、電源模塊四部分組成。其中：①主控模塊負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)處理，主要由MCU及附屬電路組成，從開發(fā)平臺(tái)的統(tǒng)一性考慮，MCU仍然選用APM32F103CBT6；②LoRa 模塊則選用安信可RA-01SC模組，驅(qū)動(dòng)電路與終端的電路相同；③電源模組則為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

圖4 網(wǎng)關(guān)硬件功能框架結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)4 組跳線接MCU 的GPIO，用于通過跳線設(shè)置通信信道。

2.2.2 4G CAT.1 模塊的設(shè)計(jì)

4G CAT.1 模塊用于接收云服務(wù)器發(fā)送的指令，通過UART接口發(fā)送給MCU；MCU轉(zhuǎn)發(fā)的傳感器數(shù)據(jù)也通過4G CAT.1 模組發(fā)送給云服務(wù)器。

4G CAT.1 在4G 通信規(guī)則（4G CAT.1-CAT.16）中雖然是通信速度最慢的4G 通信技術(shù)，但也是成本最低的。相對(duì)于NB-IOT（CAT.M2）以及手機(jī)使用的4G CAT.4，它兼顧了成本及速度，非常適合對(duì)通信質(zhì)量、實(shí)時(shí)性要求高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景［12-14］。因此，系統(tǒng)選用了4G CAT.1 技術(shù)，模組型號(hào)為EC200S。

EC200S是專為M2M和IOT應(yīng)用而設(shè)計(jì)的全網(wǎng)通LTE CAT.1 模組，具有使用簡單、超高性價(jià)比的特點(diǎn)，非常適合本應(yīng)用場合。其工作電壓范圍3.6 ～4.5 V，本文設(shè)計(jì)為4.2 V，電流為3 A，設(shè)計(jì)時(shí)要在靠近電源處配合電解電容來避免大功率發(fā)射信號(hào)時(shí)的瞬時(shí)壓降導(dǎo)致的模組重啟。模組與MCU 之間通過UART 接口通信，因?yàn)槟＝M通信接口電壓是1.8 V，MCU 電壓是3.3 V，所以需要通過2 個(gè)三極管電路進(jìn)行UART電平轉(zhuǎn)換才可以通信。網(wǎng)關(guān)的硬件電路板實(shí)物如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)硬件電路板實(shí)物圖

3 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件主要包括終端程序、網(wǎng)關(guān)程序、云服務(wù)器程序、客戶端程序。終端程序、網(wǎng)關(guān)程序?yàn)橛布幊獭Ｒ驗(yàn)锳PM32 完全兼容STM32 的軟件開發(fā)環(huán)境，所以硬件編程的環(huán)境為MDK5 和STM32CubeMX，采用HAL庫編程開發(fā)。云服務(wù)器程序和客戶端程序?yàn)榧冘浖_發(fā)，不涉及硬件。

3.1 終端程序的設(shè)計(jì)

終端程序主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面業(yè)務(wù)處理、LoRa 模組驅(qū)動(dòng)及通信處理、語音模塊的驅(qū)動(dòng)。程序主要流程如圖6 所示。

圖6 終端程序主要流程

終端的工作流程為：①上電后，程序先完成各模塊的初始化工作；②讀取存儲(chǔ)在片內(nèi)FLASH 的通信信道，它由液晶界面設(shè)定；③程序進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)里面依次完成傳感器數(shù)據(jù)讀取、液晶界面數(shù)據(jù)顯示、判斷傳感器數(shù)據(jù)是否超過閾值（若超閾值則通過語音模塊發(fā)出語音報(bào)警并清零標(biāo)志）、判斷數(shù)據(jù)上傳標(biāo)志是否置位（如果置位則通過LoRa 模塊上傳傳感器數(shù)據(jù)并清零標(biāo)志）。在主循環(huán)中，程序還需要跳轉(zhuǎn)處理液晶界面觸控觸發(fā)的UART中斷、LoRa 數(shù)據(jù)接收觸發(fā)的外部中斷、傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送觸發(fā)的UART 中斷。MCU與兩種傳感器之間采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 通信協(xié)議。為降低難度及保證通信穩(wěn)定性，終端與網(wǎng)關(guān)間的LoRa通信也采用Modbus RTU 通信協(xié)議，終端在預(yù)設(shè)信道接收到網(wǎng)關(guān)廣播的數(shù)據(jù)讀取指令后立即解析，如果地址是本機(jī)地址，則將數(shù)據(jù)上傳標(biāo)志全局變量置位。

3.2 網(wǎng)關(guān)程序的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)程序主要完成LoRa 模塊的驅(qū)動(dòng)、4G CAT.1模塊的驅(qū)動(dòng)、LoRa 通信處理、4G 網(wǎng)絡(luò)通信處理，主要程序流程如圖7 所示。

圖7 網(wǎng)關(guān)主要程序流程

網(wǎng)關(guān)上電后先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，再通過信道設(shè)置GPIO的電平獲取通信信道號(hào)。IMEI是每一部移動(dòng)通信設(shè)備唯一的串號(hào)，4G CAT.1 模組也不例外，相當(dāng)于它的身份證號(hào)，獲取模組的IMEI之后可以將它作為網(wǎng)關(guān)的設(shè)備編號(hào)注冊到云平臺(tái)。在程序進(jìn)入到主循環(huán)后，其先判斷連接4G CAT.1 模組的串口接收完成標(biāo)志是否置位，如果標(biāo)志置位，說明接收到云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)讀取指令，程序?qū)⒅噶钔暾耐ㄟ^LoRa 模組以廣播的方式下發(fā)并清零標(biāo)志。程序判斷LoRa 接收完成標(biāo)志是否置位，如果置位說明指定的終端已經(jīng)將數(shù)據(jù)上傳，網(wǎng)關(guān)通過4G CAT.1 模組將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器并清零標(biāo)志。

串口接收完成標(biāo)志由串口接收中斷和空閑中斷置位，中斷中接收到一組完整數(shù)據(jù)幀且CRC驗(yàn)證無誤后將其置位。LoRa接收完成標(biāo)志由LoRa模組的IO1 觸發(fā)的MCU外部中斷置位，在中斷響應(yīng)函數(shù)中接收一幀完整數(shù)據(jù)并完成CRC 校驗(yàn)。云服務(wù)器和終端均按照標(biāo)準(zhǔn)ModBus RTU 協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)下發(fā)和上傳的過程中是透明傳輸。程序中需要設(shè)置一個(gè)定時(shí)器定期將網(wǎng)關(guān)的IMEI作為心跳包上傳給云服務(wù)器，以維持網(wǎng)關(guān)的長連接在線狀態(tài)。

3.3 云服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的云服務(wù)器運(yùn)行于騰訊云，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置定時(shí)向指定的網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令、接收網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的終端傳感器數(shù)據(jù)以及心跳包。主要業(yè)務(wù)處理包括用戶、監(jiān)測點(diǎn)和設(shè)備管理、數(shù)據(jù)展示以及數(shù)據(jù)庫的讀寫。

從功能角度云服務(wù)器程序劃分為傳感器協(xié)議處理模塊（Sensor protocol processing module，SPPM）、業(yè)務(wù)處理模塊（Service processing module，SPM）。SPPM處理面向長連接的技術(shù)服務(wù)，通過監(jiān)聽TCP端口接收網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)上傳的數(shù)據(jù)協(xié)議，解析后轉(zhuǎn)化為程序內(nèi)部數(shù)據(jù)，并通過接口與SPM 模塊通信，它采用了Apache MINA2 框架。SPM則為整個(gè)云服務(wù)器程序的核心，它本質(zhì)上是一個(gè)Web 工程，提供RESET 風(fēng)格的接口跟SPPM 通信，主要使用的架構(gòu)為SSM 架構(gòu)（Spring MVC、Spring 和MyBatis）［15］，緩存則采用了EhCache框架。云服務(wù)器程序的框架結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 云服務(wù)器程序框架結(jié)構(gòu)

SPPM和SPM之間有2 個(gè)接口：設(shè)備登錄接口、數(shù)據(jù)交互接口。網(wǎng)關(guān)上電后上傳注冊數(shù)據(jù)包或定時(shí)上傳心跳包，SPPM接收后通過設(shè)備登錄接口轉(zhuǎn)發(fā)給SPM，SPM判斷程序內(nèi)是否存在此網(wǎng)關(guān)，如果網(wǎng)關(guān)不存在，則通知SPPM斷開與此網(wǎng)關(guān)的連接；若網(wǎng)關(guān)存在，則通知SPPM通過數(shù)據(jù)交互接口接收此網(wǎng)關(guān)后續(xù)上傳的數(shù)據(jù)并在WEB 頁面上更新狀態(tài)。SPM定時(shí)向指定網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令也是通過數(shù)據(jù)交互接口先發(fā)給SPPM，再由其下發(fā)。

3.4 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)客戶端為WEB 瀏覽器，Web 頁面采用JSP、jQuery和CSS 等經(jīng)典的前端技術(shù)編寫而成，使用了Pintuer、jQuery WeUI等前端框架和UI庫。

根據(jù)實(shí)際的需求，設(shè)計(jì)了用戶管理、設(shè)備管理、監(jiān)測點(diǎn)管理、報(bào)表中心、實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置、智慧看板等7 項(xiàng)功能。

用戶管理用于增、刪、管理用戶及設(shè)置用戶權(quán)限。設(shè)備管理用于增、刪、管理網(wǎng)關(guān)及終端，并將網(wǎng)關(guān)及終端進(jìn)行綁定處理，還可以進(jìn)行設(shè)置閾值、消除報(bào)警信息等設(shè)置工作。監(jiān)測點(diǎn)管理用于增、刪、管理需要監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室，并將監(jiān)測點(diǎn)與終端進(jìn)行綁定。報(bào)表中心用于查詢、查看、導(dǎo)出監(jiān)測點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控可以查看所有終端的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)及傳感器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)置用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)信息。智慧大屏則可以使用戶通過頁面直觀的查看到整個(gè)系統(tǒng)的概況和主要信息，具有很強(qiáng)的可視化效果和展示性。

4 系統(tǒng)性能測試

整個(gè)系統(tǒng)的主要功能是采集生化類實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的空氣質(zhì)量參數(shù)，通過LoRa無線通信、4G網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)。傳感器的準(zhǔn)確性及網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性、穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的影響。在傳感器的選型上，系統(tǒng)選擇了已標(biāo)定的成品傳感器。僅需要對(duì)設(shè)計(jì)的終端與網(wǎng)關(guān)間的LoRa 無線通信及網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)之間的4G網(wǎng)絡(luò)通信測試即可。

4.1 LoRa無線通信的測試

在系統(tǒng)中，LoRa 信號(hào)僅涉及穿墻，應(yīng)用場景并不像野外環(huán)境那么復(fù)雜，以某大學(xué)化工學(xué)院5 樓實(shí)際場景為例，網(wǎng)關(guān)設(shè)置在設(shè)備間，在同一樓層選定典型的位置布置終端，離地高度1.6 m，通信頻率設(shè)置為433 MHz，發(fā)射功率設(shè)置為20 dBm，空中速率設(shè)置為9 600 bps，在不同的測試點(diǎn)分別向網(wǎng)關(guān)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關(guān)通過UART將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至計(jì)算機(jī)串口調(diào)試助手，用于計(jì)算丟包率和準(zhǔn)確率。測試點(diǎn)分布如圖9 所示，測試結(jié)果如表1 所列。

表1 LoRa測試結(jié)果

圖9 測試點(diǎn)分布圖

測試結(jié)果表明，雖然應(yīng)用場景穿墻層數(shù)較多，但是因?yàn)橹本€通信距離遠(yuǎn)低于RA-01SC模組2.8 km的有效距離，且場景單一，測試數(shù)據(jù)丟包率為0%、準(zhǔn)確率為100%，完全滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求。

4.2 4G網(wǎng)絡(luò)通信的測試

為便于查看測試數(shù)據(jù)，用花生殼軟件與網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件NetAssist建立本地公網(wǎng)TCP服務(wù)器，編程使網(wǎng)關(guān)每隔10 s通過4G CAT.1 模塊向服務(wù)器發(fā)送一幀測試數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送3 000 次，通過NetAssist軟件導(dǎo)出的接收數(shù)據(jù)文件統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)的接收率和準(zhǔn)確率均為100%，證明本應(yīng)用中4G CAT.1 模塊滿足系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)實(shí)際部署后，通過3 個(gè)月的運(yùn)行測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，完全符合設(shè)計(jì)需求。安裝在監(jiān)測區(qū)域的電視機(jī)通過瀏覽器展示的客戶端智慧看板界面如圖10所示。

圖10 客戶端智慧看板屏顯

5 結(jié) 語

針對(duì)生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)管的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并搭建了一種生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，通過3個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行測試驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)通信丟包率為0、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為100%，網(wǎng)絡(luò)連通穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生化類實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)高效監(jiān)測；通過量化的直觀數(shù)據(jù)，給學(xué)校實(shí)驗(yàn)室管理部門制定相關(guān)規(guī)定提供了準(zhǔn)確的決策依據(jù)。