基于LoRa的景區環境監測系統設計

彭先華

(江蘇聯合職業技術學院揚州分院,江蘇 揚州 225003)

0 引言

隨著全球物聯網技術的飛速發展以及國家全域旅游產業發展環境下游客對旅游體驗需求的不斷提升,景區內環境監測系統的需求持續增大,成為各熱點景區提質增效的重要手段。旅游服務業是旅游城市的重要支柱產業,游客在景區的舒適度以及游玩體驗是城市管理部門需要考慮的重要因素,而進行景區環境監測作為輔助手段,有助于促進景區服務質量的提升。

本文以LoRa技術、LoRa網關與云平臺相結合的監測方案,研究出一種基于LoRa的景區多點環境監測系統,通過在景區內建立一定數量的無線監測節點,將一定周期內的傳感數據及時存儲記錄,利用LoRa技術獲取采集節點的數據經LoRa網關傳輸到云平臺。該系統在景區內不同的位置,設置多個節點,監測溫濕度、光照、空氣質量等環境參數[1],將數據實時反饋至管理中心,有助于管理部門及時采取針對性措施,以便更好地服務游客,提升體驗度等。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體方案設計

該系統由LoRa節點、LoRa網關以及物聯網云平臺組成。LoRa節點通過LoRa無線通信方式與網關進行組網通信,節點選用STM32系列芯片,各個傳感器按照主控芯片的指令感知到傳感數值后送入芯片進行處理解析并上報到LoRa網關[2]。網關通過網絡將數據上傳至物聯網云平臺,云平臺能實時展示各傳感數值,保存之前的數據作為歷史記錄,可通過應用程序編程接口(Application Programming Interface,API)方便地對其他終端應用系統進行監測和預警。其整體方案設計如圖1所示。

1.2 數據采集節點

數據采集節點是感知層的重要組成部分,主要由STM32單片機、LoRa模塊和傳感器組成。主控芯片采用STM32L151C8T6D,該芯片是一款低功耗微控制器芯片,適用于要求電池使用壽命長、功耗低的應用場景,主頻高,外設接口豐富,通過芯片通用型輸入/輸出(General Purpose Input/Output,GPIO)或采用模數轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)方式采集各類傳感數據,能滿足傳感器數據的采集和LoRa無線通信的要求。

節點上集成LSD4RF-2F717N30無線模塊用于LoRa無線通信,該模塊基于SEMTECH射頻集成芯片SX127X[3],是一款高性能物聯網無線收發器,具有抗干擾能力強、功耗低等特點,支持低功耗遠距離收發通信。

1.3 溫濕度光照傳感器

溫濕度光照傳感器集溫濕度和光照傳感器于一體,溫濕度傳感器采用SHT11,其作用為采集景區內節點周圍的溫濕度數據,當收到網關讀取傳感數據的指令后,將傳感數據響應給網關。SHT11溫濕度傳感器具有已校準數字信號輸出功能,內部集成度高,可以獨立完成信號轉換功能,其接口電路設計簡單,支持傳輸校驗,能有效地保證數據傳輸過程中的低差錯傳輸,具有溫度補償測量算法和露點計算功能。

光敏晶體管型號為GB5-A1E[4],利用其光電效應作用,實現光電轉換,從而完成光照數據的采集,其輸出光電流隨著光照強度變化而變化,但對不同波長的入射光的響應程度不同,其典型的感光光譜為880 nm,響應速度約為4 μs。產生的光電流通過電阻轉換成電壓量,再經ADC送入微處理器內部實現AD轉換即可獲取相應的光照數值。

1.4 空氣質量傳感器

空氣質量數據獲取采用MQ135空氣質量傳感器,是一種用于檢測空氣中特定氣體濃度的傳感器,主要用于監測一氧化碳、氨氣、甲醛、二氧化硫等。MQ135傳感器的工作原理是基于半導體敏感元件。該傳感器包含一組能對目標氣體產生電阻變化的敏感元件。當目標氣體濃度增加時,傳感器的電阻也會相應變化。這種電阻變化被測量并轉換為相應的氣體濃度值。MQ135空氣質量傳感器可以廣泛應用于各種場景,包括景區環境監測等,具有多功能性、高靈敏度、簡便易用、高可靠性、低成本等優勢。

1.5 LoRa網關

LoRa網關是一種基于LoRa技術的通信設備,用于構建低功耗、長距離的無線物聯網通信網絡。本設計中數據匯集采用新大陸LoRa網關。該網關作為LoRa網絡的關鍵組件,扮演著數據傳輸和連接終端設備與云平臺之間的橋梁角色,通過構建穩定、高效的LoRa物聯網通信網絡,為實現物聯網應用提供了可靠的技術支持。其主要特點和功能有:長距離通信、低功耗、多連接支持、安全性、易部署、云平臺集成。

2 系統軟件設計

2.1 系統總體軟件設計

該系統軟件設計采用的平臺為KEIL5和STM32CubeMX,使用的編程語言為C語言,采用HAL庫來進行開發。通過STM32CubeMX創建工程并初始化系統時鐘、外設、GPIO等,能大大簡化開發流程。

2.2 節點模塊程序設計

節點作為感知層的主要環節,有2方面的作用:一是與各類傳感器協同工作,收集環境數據,通過定時發送查詢請求與控制命令來獲取各個傳感器采集到的實時數據。具體的程序設計采用主控芯片的ADC功能來獲取光照數值,通過I2C總線方式來控制和讀取溫濕度數值;二是按照一定的通信協議將采集到的數據發送給網關,在需要時將其進行存儲,協議規約可以按照相關準則自行設定。系統運行后首先進行初始化,隨后定時向傳感器請求數值,并鏈接到網關,利用主控芯片的定時器功能設定上傳時間間隔,再依照設定的協議規約進行封裝融合,根據預定的通信信道和頻率上報數據,隨后進入空閑模式,直到下一次數據上報時間到來[5],在定時程序中增加一個隨機延時片段用于防止發送沖突。在實際應用中,LoRa節點可能會面臨各種異常情況,如信號干擾、數據丟失等。程序設計應包括適當的異常處理和錯誤恢復機制,以確保系統能夠在不穩定的環境中正常運行。

2.3 網關軟件設計

LoRa網關的功能為接收節點模塊上報的數據,同時還要將數據上傳給物聯網云平臺上的項目應用,以供調用。在整個系統設計中,網關按照地理位置分布在區域內一定的點上,網關的數量可以視周邊的節點模塊及傳感器數目靈活增加,其連接的節點數量和傳感器類型不盡相同。程序要能夠靈活進行頻率設置、云平臺參數設置、傳感器標識配置等,還要實現多通道支持,以便網關可以同時監聽和處理多個LoRa通信頻道,提高通信效率。

3 系統配置

3.1 云平臺配置

環境數據采集匯總后需要借助物聯網云平臺進行展示和應用,通過云平臺,用戶可以直觀地掌握各個節點的監測數據。系統采用新大陸NLECloud物聯網云平臺,登錄云平臺開發者中心,分3步完成云平臺配置:(1)在開發設置中設置API密鑰期限和生成調用API的密鑰,密鑰期限可以選擇比較遠一點的日期,以保證API在比較長的時期內有效;(2)在開發者中心創建項目,設置好項目名稱,選擇相應的行業類別和聯網方案,之后添加設備,為每一個設備設置名稱、標識并選擇通信協議,該系統要添加的設備即為LoRa網關;(3)通過數據流同步獲取每一個設備所屬的傳感器或者手動配置各個傳感器的參數。

3.2 LoRa網關配置

LoRa網關能將節點采集到的環境數據按照一定的格式上報給物聯網云平臺,基于靈活性和操作便捷性考慮,按照節點模塊程序以及網關固件程序中的設計,使用專門的配置工具通過串口方式對LoRa網關進行配置。網關的配置主要是完成網絡設置、LoRa參數配置和云平臺服務的配置。網絡配置實現讀取和配置LoRa網關的網絡設置;LoRa參數配置實現頻率、網絡ID等的配置,這些參數需要與LoRa節點相對應以確保通信正常;云平臺服務配置主要實現物聯網云平臺服務器地址和端口的配置以保證LoRa網關能夠與服務器建立連接,還需要進行設備標識、傳輸密鑰等參數的配置,其中設備標識、傳輸密鑰等參數需要和上一節云平臺配置中每一個設備的標識、密鑰相一致。

3.3 云平臺應用設計與結果展示

系統運行正常后,可以在NLECloud云平臺中查看各個設備的在線狀態,打開實時數據開關功能,可以通過物聯網云平臺項目自動構建的Web應用程序監測各節點傳感數據的實時展示[6]。在云平臺應用界面,可以為當前項目新增一個應用,點擊新增打開項目生成器設計界面,以景區的游覽圖或者該區域的地圖作為背景,在地圖上傳感節點實際放置的位置添加組件,選取并綁定相應傳感器數據,完成之后進行發布,便可以在圖上真實位置實時顯示當前的環境參數數值,在各種終端上都能方便實時地進行監測。除此之外,利用云平臺的分布式數據存儲功能和計算功能,還可以開發Android和Python等應用程序,通過讀取調用云平臺中的實時數據和歷史數據,在更多的終端實現數據監測。

4 結語

本系統結合LoRa技術與物聯網云平臺技術,設計了一種基于LoRa的景區環境監測系統,通過在景區內分區部署一定數量的采集節點,通過LoRa與該片區的LoRa網關進行通信,LoRa網關再將采集到的數據上傳到云平臺,實時準確地監測不同區域不同環境參數的傳感數值。該系統整體上成熟穩定、數據準確、實時性好、無盲區覆蓋。該環境監測系統能實時有效地展示旅游景區不同游覽點更精準的環境參數數值,對提升游客體驗度、管理部門發布旅游舒適度預警和提高游覽環境水平有積極作用。