丁小一，劉宏斌

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥，230000）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，高層住宅樓越來越多，這也導(dǎo)致了兒童發(fā)生意外的概率大幅提升。據(jù)統(tǒng)計，在兒童意外傷害事件中，高空跌落發(fā)生比例較高，達到34.6%。發(fā)生這樣的意外，一方面是因為大人疏于看護[1]，另一方面是由于高層住宅陽臺缺乏完善的防護措施。在考慮到兒童行動的不確定性以及防護的時效性，提出了一種基于LoRa 技術(shù)的智能陽臺監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以第一時間起到防護作用，集成室外環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)遠程交互為人們的生活提供便利。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

按照數(shù)據(jù)處理流程，陽臺監(jiān)測系統(tǒng)可以分為LoRa 采集節(jié)點、LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點。LoRa 采集節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)并通過LoRa 無線模塊發(fā)送到LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點，接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點的命令操作執(zhí)行器；LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)，通過WiFi 模塊發(fā)送到云服務(wù)器，并且接收服務(wù)器下發(fā)的指令發(fā)送給采集節(jié)點。

本系統(tǒng)主要包含智能防護、環(huán)境監(jiān)測以及遠程交互三大功能。其中，智能防護功能是監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能，通過多組激光傳感器監(jiān)測是否有兒童單獨進入陽臺，如果有，執(zhí)行關(guān)窗操作，避免意外發(fā)生；通過溫濕度、光敏及雨滴傳感器實時監(jiān)測天氣情況，同時OLED顯示下雨情況和實時溫濕度，從而實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測；Web 后端顯示、存儲采集的數(shù)據(jù)，同時可以通過這些數(shù)據(jù)對應(yīng)的策略來自動下發(fā)控制指令到執(zhí)行器，實現(xiàn)窗戶的開關(guān)和晾衣桿的拉伸，從而實現(xiàn)遠程交互功能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

■2.1 處理器選型設(shè)計

處理器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32L151C8T6D 微控制器，如圖2 所示，內(nèi)置64KB Flash 存儲器，價格較為便宜，耗電低，工作的環(huán)境溫度區(qū)間在-40℃～85℃。

圖2 STM32L151C8T6D主控模塊

■2.2 無線模塊選型設(shè)計

由于網(wǎng)關(guān)安裝于小區(qū)配電房，采集節(jié)點安裝于陽臺，兩者直線距離相距數(shù)十米。如果使用有線，則需要鋪設(shè)線纜，耗費人力物力，故采用無線方式進行通信。目前常用的無線通信方式較多，如LoRa、NB-IoT 等[2]。在本系統(tǒng)中，通信距離長，信號需要穿過建筑物墻體，而且NB-IoT 會產(chǎn)生相關(guān)的通信費用，綜合考慮選用LoRa 作為通信方式。

本系統(tǒng)選用利爾達LSD4RF-2F717N30 無線模塊，如圖3 所示，它是SEMTECH 公司的SX1278 射頻芯片，具有傳輸距離遠、速度快、功耗低、體積小的優(yōu)點[3]。

圖3 LSD4RF-2F717N30無線模塊

■2.3 LoRa 采集節(jié)點設(shè)計

基于以上選用的微控制器、LoRa 無線模塊，根據(jù)需求，添加相應(yīng)傳感器及電源模塊，設(shè)計LoRa 采集節(jié)點，具體硬件框圖如圖4 所示。

圖4 采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度數(shù)據(jù)的采集選用DHT11 模塊，它的濕度測定范圍大概在20%～90%之間(精度5.0%)；溫度測定的范圍大概在0℃～50℃(精度2℃)[4]，主要用來采集陽臺的溫度與濕度數(shù)據(jù)，其典型電路如圖5 所示。

圖5 DHT11 典型電路

2.3.2 激光傳感器模塊

由于激光具有傳輸快、相干性好、直線傳播且穩(wěn)定的物理特性，本系統(tǒng)采用多組激光收/發(fā)組來判定兒童是否獨自進入陽臺。激光收/發(fā)組由可調(diào)激光頭和激光接收管組成，其中，可調(diào)激光發(fā)射頭的工作電壓為5V、發(fā)射功率為50mW、波長為650nm；通電時，激光接收管被激光照射后，從低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

通過在陽臺兩側(cè)安裝多組激光發(fā)射與接收裝置，根據(jù)家庭成員身高調(diào)節(jié)相應(yīng)高度，高位配合低位檢測成人進出情況，低位檢測兒童進出情況。當激光收/發(fā)組僅低位觸發(fā)時，表示兒童獨自進入陽臺，控制步進電機關(guān)閉窗戶；當激光收/發(fā)組僅高位或高低位觸發(fā)時，表示成人進入或成人陪同兒童進入，不執(zhí)行任何操作。

2.3.3 雨量傳感器模塊

雨量傳感器模塊含LM393 比較器，用于檢測室外是否下雨，其電路原理圖如圖6 所示。當感應(yīng)電路板上沒有水的時候，它不會被觸發(fā)，模塊的數(shù)字引腳會輸出高電平；當感應(yīng)電路板上有水時，它會被觸發(fā)，數(shù)字引腳會輸出低電平。

圖6 雨量傳感器原理圖

2.3.4 步進電機

本系統(tǒng)每個采集節(jié)點均選用5 線4 相永磁式電機28BYJ48，用來驅(qū)動陽臺窗戶的開關(guān)和陽臺晾衣架的推出與收起。選用ULN2003 驅(qū)動電機，原理圖如圖7 所示。核心板每發(fā)送一個脈沖信號給ULN2003 驅(qū)動板，28BYJ48 按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一定的度數(shù)。實際上，分別通過調(diào)整脈沖的頻率和個數(shù)來控制28BYJ48 齒輪速度、加速度以及位移的角度，從而實現(xiàn)電機的調(diào)速。

圖7 步進電機原理圖

2.3.5 OLED 顯示屏

本系統(tǒng)選用0.96 寸OLED 顯示屏，具有自發(fā)光、清晰度高、體積輕薄、刷新頻率快等特點，該顯示屏與核心板使用I2C 進行通信。

■2.4 LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

一般小區(qū)設(shè)置一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，安裝于小區(qū)配電房?；谝陨线x用的微控制器、LoRa 無線模塊，添加WiFi 模塊及電源模塊構(gòu)成LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點，具體硬件框圖如圖8 所示。

圖8 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

其中，WiFi 模塊選用 ESP8266 模塊，它是一個低成本的無線連接設(shè)備，本系統(tǒng)采用的是體積小巧、功能齊全、價格低廉的ESP 系列ESP-01 模塊。ESP-01 模塊和主控芯片進行串口通信，主控芯片將打包好的Json 格式數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ESP-01 模塊，ESP-01 模塊將數(shù)據(jù)通過MQTT 協(xié)議用WiFi 熱點發(fā)送至服務(wù)器。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

■3.1 LoRa 通信傳輸協(xié)議設(shè)計

智能監(jiān)測系統(tǒng)采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用星型組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性和準確性，采用CRC 算法對數(shù)據(jù)進行校驗[5]。LoRa 模塊通信協(xié)議請求命令結(jié)構(gòu)[6]如表1所示，響應(yīng)命令結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表1 LoRa模塊通信協(xié)議請求命令結(jié)構(gòu)

表2 LoRa模塊通信協(xié)議響應(yīng)命令結(jié)構(gòu)

■3.2 采集節(jié)點軟件設(shè)計

LoRa 采集節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)（是否有兒童單獨進入陽臺、溫濕度數(shù)據(jù)、當前是否下雨等)，在接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點請求命令后，對數(shù)據(jù)進行CRC 校驗，解析請求命令，如果是讀傳感器的命令，根據(jù)響應(yīng)命令結(jié)構(gòu)封裝數(shù)據(jù)，并上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點；如果是控制命令，則控制步進電機，開關(guān)窗戶或者推拉晾衣桿，具體程序流程圖如圖9 所示。

■3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的LoRa 模塊接收采集節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過SPI 接口發(fā)送給主控模塊，主控模塊通過串口發(fā)送給WiFi 模塊，進而發(fā)送至服務(wù)器。同時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點需要解析服務(wù)器發(fā)來的Json 數(shù)據(jù)，向采集節(jié)點發(fā)送命令，具體程序流程圖如圖10 所示。

圖10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序流程圖

■3.4 Web 后端設(shè)計

3.4.1 Web 后端的業(yè)務(wù)介紹

本系統(tǒng)Web 后端使用原生Java Web 技術(shù)與Mybatis 框架。用戶在瀏覽器成功登錄系統(tǒng)后，自動跳轉(zhuǎn)到首頁，首頁會加載當前采集的傳感器實時數(shù)據(jù)，以及來自第三方天氣API 提供的實時天氣數(shù)據(jù)、晾曬指數(shù)等。在控制頁面，可以手動控制執(zhí)行器，也可以啟動并配置策略自動控制執(zhí)行器，完成控制操作。在傳感器數(shù)據(jù)顯示頁面，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)顯示的是每個傳感器數(shù)據(jù)的實時折線圖，歷史數(shù)據(jù)顯示的是存入數(shù)據(jù)的記錄。Web 后端的業(yè)務(wù)圖如圖11 所示。

圖11 Web 后端業(yè)務(wù)圖

3.4.2 數(shù)據(jù)庫的搭建

本系統(tǒng)的Web 后端使用MySQL 數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建兩張表，一張用來存儲管理員賬戶的信息，包括管理員賬號的用戶名、密碼等；另外一張用來存儲傳感器數(shù)據(jù)，包括有溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、雨滴數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、是否僅有兒童進入陽臺、發(fā)送這些數(shù)據(jù)的設(shè)備id、發(fā)送的來源IP、接收到這條數(shù)據(jù)的時間信息。

4 系統(tǒng)測試

選用天氣較好的一天，根據(jù)成人(175cm)和兒童(110cm)的身高調(diào)整采集節(jié)點1 的激光傳感器。用戶登錄系統(tǒng)后，后臺首頁定時刷新當前采集的傳感器實時數(shù)據(jù)，并顯示來自第三方天氣API 提供的當前實時天氣數(shù)據(jù)、晾曬指數(shù)等信息，具體如圖12 所示。

圖12 后臺首頁

在執(zhí)行器頁面，選中設(shè)備1，可以手動操作設(shè)備1 窗戶打開、晾衣架打開，也可以利用配置策略啟用/停用自動模式，自動打開/關(guān)閉設(shè)備1 的窗戶和晾衣架，具體如圖13 所示。

圖13 執(zhí)行器控制頁面

在網(wǎng)頁端可以查看傳感器實時數(shù)據(jù)，剛開始是否有小孩進入陽臺顯示0，說明沒有兒童單獨進入陽臺；從0 變成1，說明有兒童單獨進入陽臺，自動操作執(zhí)行器，關(guān)閉窗戶，具體如圖14 所示。

圖14 傳感器實時數(shù)據(jù)顯示折線圖

5 結(jié)束

實驗表明，本文設(shè)計的基于LoRa 技術(shù)的智能陽臺監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測兒童是否單獨進入陽臺這一危險區(qū)域，實現(xiàn)智能防護；

實時監(jiān)測室外環(huán)境，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測；將采集的數(shù)據(jù)上傳到平臺，在Web 后端對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)分析和決策控制，對陽臺窗戶和晾衣桿實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)遠程交互功能，是智能家居的補充，具有一定的推廣應(yīng)用價值。