韓團(tuán)軍， 黃朝軍， 陳俊堯， 唐友金

（陜西理工大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中 723000）

0 引 言

近年來(lái)實(shí)驗(yàn)室安全所造成的財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡事件時(shí)有發(fā)生，如何科學(xué)有效地管理和監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境成為科技研究的重點(diǎn)，由于各實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的不同和分布不同，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)設(shè)備布線(xiàn)復(fù)雜、可靠性比較低［1-3］。本文提出了一種以LoRa為核心技術(shù)的遠(yuǎn)程分布實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，LoRa組成該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GPRS模塊將所接收到的2個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給ONENET云平臺(tái)上，云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和統(tǒng)計(jì)分析。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、方便、可靠可以為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行推廣。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元、管理單元、服務(wù)器和用戶(hù)終端構(gòu)成，檢測(cè)數(shù)據(jù)單元由各類(lèi)傳感器和LORA構(gòu)成檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主要管理單元的傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳輸節(jié)點(diǎn)匯總網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)并打包，打包后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳至云平臺(tái)和用戶(hù)終端。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件

整個(gè)硬件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元、管理單元兩部分，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元由STM32F4系列主控芯片，LoRa無(wú)線(xiàn)通信模塊和傳感器組成。控制器將不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa模塊發(fā)送給匯總節(jié)點(diǎn)，通過(guò)GPRS將所有數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ONENET云服務(wù)平臺(tái)和手機(jī)APP，通過(guò)云平臺(tái)和手機(jī)APP設(shè)置閾值實(shí)現(xiàn)報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 電源電路

圖3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

主控芯片和各傳感器對(duì)電壓的要求分別為5 V和3.3 V。使用AMS1117穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)5 V穩(wěn)壓電路，得到穩(wěn)定的5 V電壓可為無(wú)線(xiàn)通信傳感器進(jìn)行供電，通過(guò)穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V為其余傳感器供電［4-5］。整個(gè)系統(tǒng)的電源如圖3所示。

2.2 煙霧傳感器電路

煙霧傳感器電路設(shè)計(jì)采用MQ-5傳感器，可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。MQ-5擁有其獨(dú)有的雙路輸出模式，輸出端接口為DOUT，是的數(shù)字電平輸出端，AOUT為模擬電壓輸出端，通過(guò)單片機(jī)的A／D通道與DO腳相連接，將采集到的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可使用中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。通過(guò)電位器設(shè)置煙霧氣體濃度閾值，當(dāng)所檢測(cè)氣體濃度達(dá)到所設(shè)置電壓閾值［6］，即可觸發(fā)中斷服務(wù)子程序。傳感器電路如圖4所示。

圖4 煙霧氣體傳感器電路圖

2.3 火焰檢測(cè)傳感器電路設(shè)計(jì)

火焰?zhèn)鞲衅髂K可以檢測(cè)760～1 100 mm范圍內(nèi)的光源，探測(cè)角度可達(dá)到60°左右，對(duì)火焰光譜檢測(cè)較為靈敏，同時(shí)靈敏度也可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)電壓比較器LM393輸出。模塊的工作電壓為3.3～5 V。火焰檢測(cè)傳感器電路如圖5所示。

圖5 火焰檢測(cè)傳感器電路

2.4 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信模塊選用ATK-SIM800C-V15GPRS。它具有體積小，性?xún)r(jià)比高，工作性能穩(wěn)定，工作頻段在GSM＼GPRS850＼900＼1 800＼1 900 MHz，可以在低功耗下實(shí)現(xiàn)SMS，語(yǔ)音數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。GPRS模塊在系統(tǒng)中作為協(xié)調(diào)器和服務(wù)器之間的橋梁，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)ONENET。在串口助手上輸入AT指令，觀察內(nèi)嵌的TCP協(xié)議能否連接正常，將其板子連接觀察串口助手上的數(shù)據(jù)發(fā)送。模塊的TTL電平串口通信連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用12V1A的電源供電源適配器［7-9］。GPRS模塊最小系統(tǒng)電路如圖6所示。

圖6 GPRS模塊最小系統(tǒng)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件包含監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、匯總節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)3部分。

3.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由STM32F407、各傳感器、LoRa模塊組成，采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)DHT11模塊單總線(xiàn)協(xié)議與主控芯片的I／O口進(jìn)行通信，與單片機(jī)的PC8管腳相連接，使用I／O口模擬IIC協(xié)議的通信時(shí)序，得到經(jīng)過(guò)處理的溫濕度數(shù)據(jù)由LORA模塊發(fā)送給匯總節(jié)點(diǎn)。使用微控制器自帶的A／DC通道采集煙霧傳感器和火焰檢測(cè)器得到的采樣值進(jìn)行處理，即可獲得所需要的煙霧濃度值和火焰?zhèn)鞲衅鞣答伒母叩碗娖剑瑱z測(cè)節(jié)點(diǎn)流程如圖7所示。

圖7 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序節(jié)點(diǎn)流程

3.2 匯總節(jié)點(diǎn)軟件

各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)處理、打包上傳到ONENET云平臺(tái)服務(wù)器端。兩個(gè)無(wú)線(xiàn)通信模塊的通信方式都是使用主控芯片STM32F4微控制器內(nèi)的USART串口通信方式進(jìn)行通信，不同的是：LORA模塊的數(shù)據(jù)傳輸與接收，與各個(gè)模塊之間的通信方式使用USART2串口進(jìn)行通信；GPRS模塊通信，使用USART3串口進(jìn)行通信。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口中斷方式采集數(shù)據(jù)信息，如果有數(shù)據(jù)信息傳入中斷會(huì)被觸發(fā)，所得數(shù)據(jù)信息會(huì)保存在緩沖寄存器中，在串口中斷處理函數(shù)中將緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)信息一起保存到一個(gè)數(shù)組中，接收完一幀數(shù)據(jù)信息關(guān)閉串口1中斷，使用串口2發(fā)送數(shù)據(jù)信息。對(duì)于匯總節(jié)點(diǎn)，與上述發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始步驟相同，有串口usart2接收來(lái)自LORA模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，再由串口usart3將所獲得數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送給ONENET云平臺(tái)，使用3個(gè)串口進(jìn)行通信，即可完全完成本次要求。匯總節(jié)點(diǎn)流程如圖8所示。

圖8 匯總節(jié)點(diǎn)流程

3.3 報(bào)警系統(tǒng)軟件

實(shí)驗(yàn)安全管理系統(tǒng)的報(bào)警部分電路由單片機(jī)，各傳感器和蜂鳴器構(gòu)成，溫濕度傳感器采集到的溫度數(shù)值≥50℃，或者，火焰?zhèn)鞲衅魉杉瘮?shù)值≥110將此值發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)軟件流程見(jiàn)圖9。

圖9 報(bào)警系統(tǒng)工作流程

3.4 云平臺(tái)軟件

ONENET可以適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和支持多種協(xié)議，可為不同硬件終端提供快速接入；該平臺(tái)可利用應(yīng)用層提供的API和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足不同系統(tǒng)的功能要求。使用的時(shí)候不必再進(jìn)行搭建設(shè)備接入層的環(huán)境，節(jié)省了開(kāi)發(fā)和運(yùn)維成本。系統(tǒng)選用EDP協(xié)議，采用TCP＋腳本的方式接入［10-15］。整個(gè)云平臺(tái)技術(shù)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 云平臺(tái)技術(shù)設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

實(shí)物顯示節(jié)點(diǎn)如圖11所示。可觀察到2個(gè)節(jié)點(diǎn)的各傳感器狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的顯示模塊OLED屏幕觀察到A、B節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)測(cè)量數(shù)值。

圖11 實(shí)物顯示節(jié)點(diǎn)

兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)直接發(fā)送給匯總主節(jié)點(diǎn)，即地址為0x01的主機(jī)單位，可以直觀地通過(guò)主節(jié)點(diǎn)地OLED屏幕觀察2節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)OLED屏幕顯示兩節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。雙節(jié)點(diǎn)在同一環(huán)境下檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)工作正常，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析如圖12所示。

同時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)云上傳可在手機(jī)APP端觀察到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返送。

圖12 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

表1 單個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 A、B節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的遠(yuǎn)程分布式實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試分析驗(yàn)證，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的參數(shù)，使用ONENET云平臺(tái)能方便地對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、方便、可靠，可以為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行推廣。