褚云霞， 張 軍

(石家莊學院 a.美術(shù)學院； b.計算機科學與技術(shù)學院，河北 石家莊 050035)

隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，遠程監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和教育領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用.物聯(lián)網(wǎng)是人與人、人與物、物與物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[1]，到2020年，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)能市值將達到2萬億元以上，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，提升社會公共服務(wù)能力具有重要的意義[2].

物聯(lián)網(wǎng)信息通過傳感器采集，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉每刂贫诵纬梢粋€閉環(huán).目前，生產(chǎn)傳感器的廠家往往只給出接口和協(xié)議，客戶則要根據(jù)實際情況，增加采集傳輸模塊或開發(fā)修改應用軟件，而這無疑會增加使用成本，延長部署時間；所有物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)節(jié)點的微控制器(MCU)、傳感器、無線設(shè)備和制動器等都需要電源來滿足運行要求；物聯(lián)網(wǎng)上每個傳感器都會按一定的周期采集、傳輸信息，其傳輸方式為有線或無線，相互之間的連通標準、功耗、傳輸距離、組網(wǎng)方式、傳輸技術(shù)和資費等各不相同，缺少統(tǒng)一平臺[3].

鑒于以上情況，本文擬開發(fā)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)通用產(chǎn)品，從而降低信息采集成本，使其低功耗運行，節(jié)省傳輸費用.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在私有廣域網(wǎng)中，利用門思(ManThink)科技公司OM系列模組與低功耗傳感器芯片系統(tǒng)集成的方法，采用低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，簡寫為LPWAN)技術(shù)中的NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))模組和LoRa模組構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺，在感知層采用門思科技低功耗窄帶LoRa通信設(shè)備，在應用層利用阿里云IoT(物聯(lián)網(wǎng))的LinkWAN進行數(shù)據(jù)的收集和指令的下傳，采集部分包括空氣溫濕度、陀螺儀、GPS、光照強度、地磁、水浸、煙感、防盜、二氧化硫、噪聲等10種以上傳感器信息傳輸標準化的產(chǎn)品，實現(xiàn)一個模塊就可完成信息采集和傳輸，降低功耗和成本.系統(tǒng)原理圖見圖1.

此系統(tǒng)在應用層能配合LoRaWAN進行更大范圍的組網(wǎng)，還能配合阿里公司的消息隊列技術(shù)進行信息采集和設(shè)備控制.

LoRa終端節(jié)點：為該系統(tǒng)的最末端設(shè)備，主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及和網(wǎng)關(guān)的通信交互.

LoRa網(wǎng)關(guān)：LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，主要進行LoRaWAN局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信交互、數(shù)據(jù)加解密、雙向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等工作.

LinkWAN后臺：阿里云基于IoT的應用前景而開發(fā)的一款綜合性管理系統(tǒng)，能降低用戶處理IoT應用業(yè)務(wù)的技術(shù)難度，其中，通信口業(yè)務(wù)是整個后臺業(yè)務(wù)的核心.

業(yè)務(wù)后臺：為解決實際問題而組建的后臺業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，通過LinkWAN的服務(wù)接口來實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的雙向流通.

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 終端硬件設(shè)計

利用門思科技OMx02模組集成了一款低功耗的單片機(KL17x CortexM0+內(nèi)核)和支持擴頻調(diào)制的射頻前端(SX1276/SX1278).OMx02將MCU的硬件資源(GPIO，SPI，IIC，UART)開放給開發(fā)者，以方便進行二次開發(fā)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品一次性開發(fā)的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的成本.基于OMx02的門思科技提供自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實時操作系統(tǒng)Man-Pregnante Operating System(MPOS)及配套的LoRa/LoRaWAN協(xié)議棧(LWS)，即MPOS+LWS,可以快速實現(xiàn)LoRa/LoRaWAN更多、更豐富的應用.

MPOS+LWS以lib文件的形式提供，用戶可以通過OMx02的硬件資源(SPI，IIC,UART，GPIO)和MPOS+LWS庫文件快速設(shè)計出自己需要的LoRaWAN/LoRa傳感器.MPOS+LWS具有以下特性：兼容LoRaWAN Class A,Class B,Class C 協(xié)議( LoRaWAN1.0.2)，為全球唯一的64位標識碼(EUI-64TM)，集成了實時操作系統(tǒng)(MPOS)，有簡單易用的周期性任務(wù)和豐富的外設(shè)接口(SPI，IIC，UART，GPIO).其硬件特性見表1.

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2.

2.1 信號采集模塊

利用MCU擴展接口GPIO，IIC，SPI，UART與市面上現(xiàn)成的傳感器相連，實現(xiàn)信息采集.

表1 MPOS+LWS的硬件特性

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)電量采集模塊

通過使用帶RS485接口的電量檢測儀，實時檢測供電的質(zhì)量.當數(shù)值超過安全電源要求時，系統(tǒng)會及時報警，以便管理員采取措施.管理員可以通過供電參數(shù)的歷史曲線了解用戶的實際供電品質(zhì)，為周邊供電管理提供科學依據(jù)[4].

(2)門禁信號采集模塊

使用帶RS485接口的監(jiān)控服務(wù)器對重要場所的門實施門禁進出監(jiān)測.

(3)燈信號采集模塊

通過光照傳感器設(shè)定閾值，來確定重要場所的燈是否關(guān)閉.

(4)水浸信號采集模塊

在可能造成漏水的區(qū)域安裝漏水感應設(shè)備，一旦有水泄漏，就會將信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)控服務(wù)器上.

(5)溫度信號采集模塊

采用美國美信半導體推出的DS18B20高精度溫度傳感器，實現(xiàn)LoRa遠程溫度監(jiān)控.

(6)煙霧信號采集模塊

使用帶RS485接口的煙感探測儀對重要場所的煙霧進行監(jiān)測.

2.2 電源模塊

傳感器設(shè)備往往需要電池供電.在LoRa的信號調(diào)制上，采用低功耗的FSK(頻移鍵控)調(diào)制方法設(shè)計供電模塊，實現(xiàn)為傳感器供電.OMx02模塊的工作電壓為2.6～3.6 V；在數(shù)據(jù)通信狀態(tài)下，電流約13 mA；在沒有數(shù)據(jù)包傳輸?shù)那闆r下，模塊電流僅為3 μA.

3 終端軟件設(shè)計

3.1 軟件流程

采集模塊的軟件在IAR編譯環(huán)境下采用C語言編寫，整體流程見圖3.

OMx02的SDK(Software Development Kit，軟件開發(fā)工具包)由庫文件MPOS_LWSx02V1.0.a)、頭文件和基于EWARM的工程文件構(gòu)成，SDK提供的API函數(shù)能實現(xiàn)對驅(qū)動函數(shù)、MPOS系統(tǒng)函數(shù)和LoRaWAN功能函數(shù)的操作.

MPOS使用基于消息機制的模式通知用戶相關(guān)事件，由實時操作系統(tǒng)來管理系統(tǒng)的事件和用戶的任務(wù).

3.2 主要功能

(1)狀態(tài)上報

報警器會自動上傳自身的狀態(tài)信息.狀態(tài)信息包含當前電池的電量和自身設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài).

圖3 遠程監(jiān)測終端軟件流程圖

(2)警情上報

當報警器探測到火災警情后，會立即將報警信號傳送至后臺.

(3)狀態(tài)統(tǒng)計

統(tǒng)計報警器的運行狀態(tài)，當發(fā)生電池電量低或者設(shè)備損壞的情形時，及時為管理員和用戶示警.

(4)故障探測

當終端超時數(shù)倍(可設(shè)置)狀態(tài)上報時間還沒有上報自身狀態(tài)信息時，認為設(shè)備通信異常(失聯(lián))，系統(tǒng)會通知管理員.

(5)終端定位

每個終端的安裝位置可以在地圖上呈現(xiàn).這需要在終端建檔時錄入地圖坐標.

(6)多媒體呈現(xiàn)

在地圖上選擇某個終端時，瀏覽器可以呈現(xiàn)當前終端的基本信息，如電池電量、運行狀況、信號質(zhì)量、最后上報時間，并通過醒目顏色區(qū)分正常終端和非正常終端.

(7)警情推送

當終端上報警情后，后臺可將信息推送給管理員和用戶，同時在地圖上也會優(yōu)先突出顯示報警終端.

(8)數(shù)據(jù)讀取

后臺管理者可以針對一個終端或者多個終端手動獲取報警器的狀態(tài)信息.手動選擇多個報警器時，復選項要科學、合理，如在地圖上選擇某一區(qū)域內(nèi)的報警器、最近一段時間(可設(shè)置)內(nèi)沒有上報狀態(tài)數(shù)據(jù)的報警器等等.篩選功能的實現(xiàn)需要進行長期迭代.

(9)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以某一時間段和區(qū)域為選擇篩選項，統(tǒng)計每一個報警器的狀態(tài)數(shù)據(jù)和警情信息，包含終端通信次數(shù)、終端報警(警情)次數(shù)和終端異常狀態(tài)統(tǒng)計次數(shù).

4 應用層數(shù)據(jù)接收和指令發(fā)送服務(wù)

監(jiān)控系統(tǒng)首先利用傳感器采集數(shù)據(jù)，通過LoRa窄帶網(wǎng)絡(luò)進行傳輸；服務(wù)端利用阿里云公司LinkWAN物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)接收，并存放在數(shù)據(jù)庫中，用戶可通過移動終端和電腦進行瀏覽和控制.系統(tǒng)的控制指令通過LinkWAN物聯(lián)網(wǎng)平臺調(diào)用消息隊列完成，如圖4所示.

圖4 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺調(diào)用消息隊列截圖

阿里云在2017年開發(fā)了支持企業(yè)網(wǎng)站建設(shè)LoRa協(xié)議的LinkWAN物聯(lián)網(wǎng)平臺，它通過消息隊列 RocketMQ中間件實現(xiàn)分布式集群技術(shù)，提供消息訂閱和發(fā)布、消息軌跡查詢、資源統(tǒng)計、監(jiān)控報警等一系列消息云服務(wù).消息隊列 RocketMQ是阿里巴巴“雙11”使用的核心產(chǎn)品，是阿里云正式的商用產(chǎn)品.目前，阿里云可提供高可靠、高可用的消息云服務(wù)，單個域內(nèi)可采用多機房部署，可用性極高，即使整個機房設(shè)施都不可用，它也可以為應用提供消息發(fā)布服務(wù).

5 結(jié)語

本文基于阿里云LinkWAN服務(wù)和門思科技LoRaWAN通信設(shè)備開發(fā)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，具有成本低，無需布線，設(shè)備小巧，功耗極低等特點，克服了以往采集成本高，布線困難和電源維護困難等問題，為現(xiàn)場監(jiān)測提供了一種低成本解決方案.