基于“LoRa+WiFi”無線網絡的智慧景區管理系統

摘 要：隨著我國旅游業的發展規模逐步擴大，景區對智慧管理的需求貫穿于游前、游中和游后整個過程。本系統從景區管理者的角度出發，對景區游客、景區環境以及景區安防等方面進行管理，依托于LoRa無線通信技術進行數據的傳輸和匯聚，并通過WiFi模組傳輸至云平臺，同時開發Web應用端實時監測景區管理數據。通過測試，將“LoRa+

WiFi”無線網絡組合技術應用于智慧景區感知層數據傳輸過程具有可行性，對于實現景區的智慧化管理具有現實意義。

關鍵詞：LoRa；WiFi；無線網絡；實時監測；景區管理；智慧景區

中圖分類號：TP317；TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-05

0 引 言

2015年，《國務院辦公廳關于進一步促進旅游投資和消費的若干意見》中提出“互聯網+旅游”，到2020年，在全國4A級以上景區和智慧鄉村旅游試點單位實現免費WiFi（無線局域網）、智能導游、電子講解、在線預訂、信息推送等功能全覆蓋，并在全國打造1萬家智慧景區和智慧旅游鄉村[1]。2019年我國智慧旅游業市場規模為4 355億元；

2020年受疫情影響市場規模有所收縮，較2019年回落30.5%；隨著疫情后我國經濟的快速復蘇以及各地旅游業重新開業，2021年年底我國智慧旅游業市場規模達到4 480億元，較2020年上漲48%。根據市場研究機構和相關報道的預測，預計到2025年，全球智慧景區市場規模將達到300億美元以上。到2030年，智慧景區行業的市場規模有望超過1 000億美元。中國是全球最大的旅游目的地之一和最大的旅游消費市場，未來智慧景區行業市場的潛力巨大[2-5]。

目前，中國智慧旅游業整體發展尚未成熟，而未來智慧景區將更加全面，物聯智能傳感器設備將包括文物古跡、旅游點、景區公共設施聯網等在內的旅游產業鏈上下游系統進行實時感測。無線通信技術中，LoRa不用借助移動、聯通或者電信等運營商的基站，而是利用自己搭建和管理的網絡，具有功耗低、通信距離長的特點；WiFi功耗較大，但是傳輸速度快。本文設計了一款基于“LoRa+WiFi”無線通信技術的智慧景區管理系統，該系統面向景區管理者，將傳感器的感知信號、景區定位的北斗信號傳輸至物聯云平臺；面向用戶開發Web端應用，同時發布至移動端，實現數據可視化監測。項目整體基于嵌入式模塊化開發，將數據的采集、傳輸、處理融為一體，對于實現各類人文景區以及自然景區的智慧化管理具有現實意義。

1 智慧景區管理系統整體架構

景區環境管理分為室內與室外兩種，室內景區主要是博物館、藝術館等，需要根據館藏品的保存條件進行調節管理，對空氣質量進行監測；室外景區主要是對景區植物的生長環境進行監測。景區的游客管理主要是對景區游客人流量的分布以及游客身體健康的監測等；景區的安防管理主要包括對人員入侵、火災等情況的監測與預防。

如圖1所示，本系統的整體架構包括：STM32L151C8T6主控模塊、數據采集模塊、LoRa無線傳輸模塊、WiFi無線傳輸模塊、云平臺以及應用端模塊。游客管理采用北斗定位技術，可以用于實現游客或車輛定位、導航等功能，實現游客位置的精準管理，同時通過景區定位人流量熱點圖，結合心率傳感器，實現游客的全方位健康管理；采用STM32L151C8T6控制各類景區環境監測傳感器，比如室內/土壤溫濕度、室內室外光照傳感器、空氣質量傳感器等，將數據上傳至物聯云平臺并存儲在MySQL數據庫中，從而實現網頁端應用以及APP應用的實時監測與反饋。

2 智慧景區系統硬件設計

如圖2所示，感知層的數據部分采用的是32位超低功耗芯片STM32L151C8T6，它基于高性能ARM Cortex-M3的內核，工作電壓為1.8～3.6 V，提供一個12位ADC、2個ADC、2個超低功耗比較器、6個通用16位定時器以及2個基本定時器，可用作時間基準，超低功耗，在景區布置時續航時間更長。

2.1 智慧景區游客管理

2.1.1 景區游客心率監測

HRS3300心率監測的功能在于監測游客在游覽景區內的心率變化。通過佩戴心率監測設備的方式，實時監測游客的心率，并記錄下其心率變化的歷史數據，以便對游客的健康狀況進行評估和分析，幫助景區管理者更好地了解游客的身體狀況，提供更加精準的服務，以及在存在健康風險時及時采取應對措施。

當游客心率異常時，景區管理者可以采取相應措施，為游客提供健康干預和輔助服務。例如，當游客的心率過高時，引導游客在景區內休息，提供飲用水等物品，避免引發更危險的情況。

2.1.2 景區北斗定位

北斗定位系統是中國自主研發的衛星導航系統，能夠提供全球導航、時序和授時、短報文以及應急通信等服務。北斗定位設備內含雙模芯片，通過其進行定位，可以快速確定佩戴者位置，并且北斗的定位信息通過RS 485的有線接口以及Modbus的工業級通信協議的方式傳輸。本系統基于STM32，通過RS 485接口和Modbus協議讀取北斗數據，并通過LoRa無線通信方式將數據傳輸至云平臺，具體功能如下。

（1）提供精準的定位服務：景區管理人員可以通過北斗定位系統準確獲得游客的位置信息和活動軌跡，掌握景區內的人流情況和管理需求。

（2）提升游客體驗和服務水平：游客在景區的特定區域中能隨時獲得導航和推薦服務。通過指引游客前往目的地，讓游客更便捷地找到自己要游覽的景點。

（3）加強景區的安全保障：通過北斗定位系統，景區管理人員可以第一時間了解游客遇到的安全問題和緊急情況，及時采取相應的安全措施和救援措施，保障游客的人身安全和財產安全。

北斗定位技術提供高精度的定位服務，而LoRa技術可以實現長距離的通信服務，即便在景區的深山老林和人跡罕至的地方，景區也能向游客準確推送信息，并對游客的行蹤進行實時監控和記錄。同時能夠節約成本，相比傳統有線管道，北斗和LoRa技術不需要鋪設大量的有線設備，降低了支出成本和運營成本。

2.2 智慧景區環境監測

2.2.1 景區溫濕度監測

SHT11數字溫濕度傳感器將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，并采用了CMOS過程微加工技術，具有較高的可靠性和穩定性。本系統可以監測景區室內外環境的溫度和濕度變化，定制指導措施，例如如何防止中暑、脫水等，向游客提供實時的景區環境溫濕度信息，讓游客及時了解天氣條件，做好相應的準備。系統還可以檢測和報告是否存在危險情況，如濕滑路面等，防止出現游客摔倒等意外；可以監測場館內空氣的溫濕度，發現高溫和潮濕等不良情況時，對游客進行提醒，并采取應對措施，預防因空氣不良等引起的安全問題。同時，系統還能輔助景區管理，景區管理者根椐溫濕度傳感器提供的數據來合理調整景區設施和環境，保證游客在較為舒適的環境中游覽和休息，同時還能夠減少景區的能源消耗。

采用溫濕度傳感器能夠幫助景區工作人員及時發現環境變化并向其發出警報，以便工作人員能夠根據不同植物提供最適合的生長條件，使景區植物在良好的環境下生長，預防環境過熱、過干等不良條件對植物生長的損害和影響。溫濕度傳感器可以間接調節植物的生長時間和生長速度，例如為某些適合在高溫下生長的植物調節合適的溫度，其生長速度會大大增加，從而實現產量的增加。由此做到精確監測植物生長環境，減少供水和肥料的浪費，從而最大程度地減少成本，達到節約資源的目的。

2.2.2 景區光照監測

本系統采用GB5-A1E光敏傳感器，它是一種根據環境光強度變化與輸出電流的正比例關系來判斷環境光強度的光敏傳感器，其穩定性好、一致性強，并且實用性高。景區的許多區域都需要適當的光照，GB5-A1E光敏傳感器可以確保這些區域的光照始終保持在最佳水平。適當的光照還能提高景區的安全性，在一些危險區域，光照傳感器可以自動監測光照強度，并確保這些區域始終保持適當的光照強度，特別是在低光照或夜間游覽時，提高景區的安全性。

光照傳感器還可以通過自動監測和調整光照強度來延長燈泡的使用壽命，減少燈具的維護需求，這將有助于節省時間和維護成本，減少景區的資源損耗。光照傳感器可以與其他感應設備結合使用，實現更全面的智能管理，例如與溫度傳感器配合使用，可以實現更精細化的能源調控和管理。不僅如此，它還可以監測植物所需的光照強度，根據需要自動調節光照強度來保證植物獲得足夠的光照，促進植物生長。最后，使用光照傳感器可以實現自動化和定時化的植物管理，減少人力和物力投入，方便且高效。

2.2.3 景區空氣質量監測

本系統采用MQ135空氣質量傳感器，其所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

MQ135空氣質量傳感器可以實時監測景區的空氣質量，包括空氣中的各種有害物質（如PM2.5、CO、O3等），以及溫度、濕度等指標，并收集和記錄數據。還能自動調節空氣處理設備（如空氣凈化器）的工作狀態，使其在真正需要的時候開啟，減少能源的浪費，從而改善景區的空氣環境和旅游體驗，確保景區的空氣質量在安全范圍內，保障游客健康。

2.3 景區人防監測

本系統采用雙光束數碼式主動紅外入侵探測器進行監測，感應時間為50～700 ms，水平可覆蓋范圍為±90°，垂直覆蓋角度為±10°。紅外對射傳感器能精準判斷室外最遠150 m范圍，室內最遠450 m范圍的人員入侵情況。根據人體散發的紅外光線是否處于移動狀態來感知防區內人體的存在，它的功能有以下四個方面：

（1）安保監控：景區人體紅外對射傳感器可以用于安保監控，通過監測人體運動軌跡，實時預警和報警，防止陌生人員進入區域。

（2）環保節能：可用于燈光控制，通過監測人體運動來控制燈光的開關，實現智能化控制，減少能源的浪費，達到環保節能的目的。

（3）行為分析：通過監測人體運動軌跡，分析游客的行為特點。

（4）提高安全性：通過監測人體熱輻射，能夠快速、準確地探測到潛在的安全風險，比如火災等，保證游客在景區內的安全。

2.4 景區攝像監測

攝像頭可以監控景區內的安全情況，識別人員是否攜帶危險物品、是否有異常行為等，以便及時發現并報警處理。對景區內游客的數量及分布情況進行實時監測和統計，幫助景區管理部門進行管理和資源調配。通過攝像頭對景區內的各個景點進行監控，分析游客的流量和停留時間，評估景點的熱度和受歡迎程度。此外，攝像頭還可做到保護資源，監控景區內的自然資源和文化遺產，識別是否有人為破壞、損毀等行為，便于管理人員及時采取措施保護景區資源。

3 景區管理無線通信

3.1 LoRa無線傳輸感知端

LoRa是一種低功耗、長距離、低速率的無線通信技術，可以在不要求數據傳輸速度的場景下，實現長距離的無線通信，對實現景區內的智能化管理、提高景區安全性、提高游客體驗以及降低景區運營成本有著不可低估的優勢[6-7]。

LoRa數據匯聚流程如圖3所示。通過將LoRa設備部署在景區內的各個位置，對景區內各種設備采集的數據進行傳輸，這些數據通過云平臺進行處理和分析，進而實現對景區內各種設備的遠程監測和控制。LoRa采用擴頻技術，與常用的無線通信技術（WiFi/ZigBee）相比，具有傳播距離遠、易部署、低功耗以及低成本的優點，在大范圍景區或者園區中應用可降低運維成本。

3.2 WiFi無線上云

WiFi通信技術具有高速、通信距離短的特點。本系統采用ESP8266 WiFi模組，ESP8266的固件有兩種：AT固件和Node-MCU固件。本系統采用AT固件。依托于WiFi的優點，將LoRa匯聚的各類環境、安防、游客管理信號以及游客北斗定位信號，高速傳輸至云平臺。匯聚節點通常被部署在室內或者室外固定的點，方便保持足夠強的WiFi信號，實現數據快速上云。WiFi數據上云流程如圖4所示。

將LoRa和WiFi結合起來在景區中使用可以實現更好的物聯網連接和無線網絡服務，實現景區的智慧化建設，該技術應用前景廣闊。在景區內設置LoRa基站，用于連接景區內的傳感器、監控、路燈等智能設備，實現遠距離、低功耗的無線通信。數據匯聚后利用WiFi單點易布置的優點，將LoRa匯聚的數據傳輸至物聯云平臺，為管理云平臺實時獲取云平臺數據打下基礎。

4 智慧景區系統軟件設計

4.1 智慧景區管理云平臺

云平臺集成了智慧景區中的各種數據，如游客信息、景區信息、交通狀況等，實現數據共享和交流，從而提升信息處理效率[8]。該平臺具有安全可靠的數據存儲能力，可以長期儲存和備份智慧景區內的各種數據，確保數據的安全性和完整性。該平臺集成了各種傳感器、監控設備等，實時監測景區內的交通流量、游客數量、氣象狀況等，幫助景區管理者隨時掌握景區內的情況。該平臺擁有更加強大的數據處理能力[9]，景區內涉及的數據種類較多，如果在本地處理這些數據，需要消耗大量時間和資源，而將這些數據轉移到云平臺上進行處理，可以極大地提升數據處理效率[10]。

將云平臺引入智慧景區中，實現了數據共享和交流、可靠的數據存儲、實時監測、更加強大的數據處理和數據分析能力。同時，景區管理云平臺與MySQL數據庫結合，使用Java語言、SpringBoot框架實現數據庫存儲、數據分析、跨平臺通信和系統集成等功能。云平臺實時數據展示如圖5所示。

4.2 智慧景區管理系統Web端

Web端管理軟件是面向景區管理者所開發的，可以呈現對景區的人流量、游客安全、安防以及景區室內外環境等的監測結果。本系統是在局域網范圍內開發的，具有很強的數據安全性，擁有更好的圖形用戶界面，使用戶擁有良好的體驗，讓游客更好地了解景區的歷史、文化、自然環境等特點。Web端管理界面如圖6所示，具體優勢如下：

（1）提升游客滿意度：游客可以更方便、更快捷地獲取景區信息，規劃旅游行程，提升游客的舒適度和滿意度，促進口碑相傳。

（2）能夠進行數據分析：收集游客信息、消費行為、滿意度等數據，進行數據分析，幫助景區制定科學的管理策略和營銷策略。

（3）加強安全保障：PC端可以在本地計算機上運行，相比移動互聯網應用更可靠，景區的數據安全和游客的隱私事項都得到更加完善的保障。

（4）節約成本：在提高景區的利潤率的同時，降低人工成本。

5 系統測試與結果

目前國內景區有較多的景區已實現WiFi覆蓋，但WiFi的傳輸距離有限，需要布置多個節點，而LoRa傳輸距離長于WiFi，且傳輸速度也能滿足景區管理的要求，因此本項目為驗證LoRa在智慧景區感知層數據傳輸過程中的可行性進行了多次實驗，實驗場地如圖7所示。本系統采用的LoRa天線為433 MHz天線，在發射功率分別為14 dB和20 dB的條件下測試了LoRa匯聚節點與終端節點在藏龍島濕地公園的開闊地帶和復雜地帶、校園開闊地帶以及校園機房等通信信號不良處的通信距離。

測試以傳感器數據正常接收為準，當感知點的傳感器的溫度實時發生變化時，匯聚點的數據也將實時發生變化，而不發生丟包現象。雖然理論上LoRa的通信距離可達15 km，但在實際測試過程中，景區環境、安防以及游客信息會實時變化，最遠通信距離會縮短。在藏龍島濕地公園，人流量不多，沒有電子設備干擾且發射功率較大時，最遠可達1.5 km；在校園人流量較大，且機房電子產品影響較為復雜時，通信距離較短；復雜情況下信號發射功率對通信距離的影響更突出；而在空曠的條件下，發射功率對通信距離的影響相對較小。

6 結 語

本項目基于STM32L1系列單片機采集景區中游客、景區室內外環境以及景區安防燈等方面的傳感器信號，通過LoRa無線通信技術傳輸匯聚，并通過WiFi無線通信技術傳輸至云平臺，同時開發Web網頁端以及移動端，實現景區的全方位管理。為測試LoRa應用于景區管理的可能性，本系統在不同環境下進行了通信距離的測試。實驗表明：LoRa通信發射功率越大，則通信距離越遠；在復雜的環境下，LoRa的發射功率對距離的影響更加突出，且成本較低，雖然通信速率較低，但是與WiFi結合后能很好地克服該缺點。本系統可作為景區管理者管理景區的有效工具，后續將基于數據可視化進行研究。

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