基于LoRa的实验室设备实时状态监控系统设计

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　　摘要：針对传统实验室监控系统存在功耗大、扩展性弱等问题，文中结合物联网技术，设计一种基于LoRa技术的实验室设备实时状态监控系统。在该系统中，硬件使用RFID reader传感器实现身份信息识别，使用SX1278射频芯片实现监控信息的远距离无线传输，通过STM32对实验室实时状态进行采集;软件采用Rocker容器技术、ADC-MAC协议和WebSock-et协议兼容MQTT规范来保证系统的稳定性、安全性和高效性。实验测试结果表明，所设计的实验室设备实时状态监控系统具有运行稳定、功耗低、扩展性能强、迭代升级简单等优点，可以在实验室建设中广泛应用。
　　关键词：监控系统;实时状态;实验室设备;LoRa;延时分析;系统测试
　　中图分类号：TN948.64-34
　　文献标识码：A
　　文章编号：1004-373X（ 2019） 24-0046-04
　　随着通信技术的快速发展，使用物联网技术来解决实验室的安全问题成为可能。目前，实验室安全问题的解决方案一般是对通过安装摄像头进行监控，但这样只是对实验室的当前环境信息做一个传递，并未对所采集到的图像信息进行筛选和处理，仅能作为事故分析的参考，不能提前做出预警工作，效率低且实时性差。此外，文献[1]提出基于RS 485总线的监控系统，但由于其需要对实验室设备重新布局布线，会消耗大量的时间与精力;文献[2]提出基于ZigBee无线通信技术的实验室设备实时状态监控系统，但应用于距离较远、分布零散的实验室时效果并不理想。本文采用LoRa技术实现实验室设备实时状态监控系统的设计，并结合LoRa技术在长距离通信领域的优势[3]，在LoRa服务器与Web服务器之间建立MQTT协议链路来减小延时。同时还采用Docker容器技术和ADC-MAC协议来提高运行效率，改善系统性能，并分析DTOP与DSAB机制分析系统功耗，使得系统具有更优的性能。
　　1 LoRa技术
　　1.1 LoRa概述
　　LoRa技术是Semtech公司开发实现的新兴技术，其不但弥补了ZigBee技术的不足，还实现了远距离、大容量的无线通信。LoRa采用Chirp扩频调制技术，实现868 MHz，915 MHz，433 MHz三个频段的通信并能支持自适应数据速率或变速率信道[4]，使系统更具稳定性，且更适合部署大规模物联网系统。
　　1.2 LoRa技术特性
　　1）低功耗
　　LoRa是低功耗广域网的一个分支，其采用CSS技术降低数据传输过程中的功率消耗，具有ClassA/B/C这3种工作模式[5]对应不同的数据接收窗口状态，可以灵活地适用不同需求。与现有的NB-IOT技术相比，其具有较好的低功耗特性，仅一颗纽扣大小的电池便可维持一个终端工作长达1年之久。
　　2）覆盖范围广
　　LoRa工作在1 GHz以下的网络频段，可以通过改变其模块内部接收天线的金属覆盖度来提高信号传送距离。在未有障碍物遮挡的条件下，可达到8-10 km的远距离传输，扩大通信范围。
　　3）抗干扰性强
　　LoRa采用Chirp技术，其信道带宽B较大。由香农公式C=Blog2（1+ SIN）可知，信道的信噪较低，终端接收到的信号中会混有大量的噪声信号，通过该技术可以较好地恢复原始信号，对比FSK和OOK具有明显的优势[6]。
　　1.3 LoRa网络结构
　　LoRa的网络包括Web服务器、网关节点、LoRa服务器和LoRa节点4个部分[7-8]。
　　网关节点和终端节点采用拓扑结构相连接，数据通过网关发送给Web服务器进行数据的分析，并向LoRa终端发送数据接收成功的指令[9]。Web服务器与LoRa服务器采用有线连接，网关节点与Web服务器采用无线连接”[10]。
　　2 实验室设备监控系统设计
　　2.1 系统功能
　　实验室设备管理主要包括设备温度的检查、电源状态检测等。若采取传统的监控系统，则需安排监测人员对监控信息进行记录和分析，导致工作任务量大，且检查结果受主观因素影响大，还会由于人为失误导致故障发现不及时而发生危险。应用LoRa技术，可以将报警设备连接到LoRa网络系统中，将实验室的各个终端设备看作LoRa节点，节点实时将状态信息经由网关上传至监控平台，从而实现远距离通信。该系统不仅可以支持4G，WiFi等无线通信方式，也可通过有线的方式连接到网络。
　　系统需要实现的功能有实验室环境监管（温度、烟雾浓度等）;实验室进出人员记录;设备使用状态反馈;预警设备故障。
　　2.2 系统架构
　　基于LoRa技术的实验室设备实时状态监控系统的结构框架如图1所示。在数据采集模块中嵌有大量射频传感器，其采集到各个设备的状态信息经由LoRa网关上传到服务器端，同时同步到后台数据库，最后显示到监控终端设备。且在实验室边界布置RFID reader传感器，实验室工作人员会佩戴证明其身份的RFID工作证。在人员进入实验室时，会对身份信息进行采集和分析。若证实身份则进行登记，若非实验室工作人员则会触发警报。
　　2.3 系统硬件设计
　　数据采集系统主要包括传感器模块、数据处理模块、无线传输模块、LoRa节点等，负责对数据的采集、处理及发送。
　　1）传感器模块。根据当前监控位置的不同，用户选择需要接人的传感器模块也不尽相同;
　　2）数据处理模块。数据处理的部分主要由高性能的嵌入式处理器STM32完成;
　　3）无线传输模块。使用SX1278射频芯片完成长距离的无线传输功能。
　　2.4 系统软件设计
　　本文设计的监控系统是实验室专用管理平台，通过内网连接，信息专用且安全性高。该系统采用Docker容器技术，多个Web服务器部署在Docker容器上构成一个整体，便于向云端迁移和扩展。系统后台的数据采用MySQL存储，MySQL选择长连接方式可以确保数据稳定传输，避免在频繁通信的情况下发生的Socket出错状况。数据采集系统将采集到的数据通过GPRS模块上传至数据库。 　　3 低延时设计
　　3.1 系统延时分析
　　图2给出数据在监控系统中传输时存在的延时情况。图中，T1，T2由网络状况决定;T3由LoRa服务器硬件设备的处理速度决定，该部分时间主要用于处理网关上传的数据并进行存储;T4用于Web服务器读取数据库，由数据库大小决定;T5时间段用于应用程序发起并接收请求的过程，由网络状况与Web服务器的运存状态决定。
　　3.2 系统延时解决方案
　　由于实验室设备实时状态监控系统中对实时性的要求较高，若预警不及时则会引起严重的后果。因此，本设计中使用MQTT和WebSocket技术来实现低延时实验室监控预警功能。WebSocket技术是基于TCP连接的全双工通信协议，其通信过程如图3所示。其通过HTTP通道复用，使用HTTP端口进行通信。
　　MQTT技术即消息队列遥测传输技术，其是IBM发布的一种基于发布一订阅机制的“轻量级”协议。MQTT基于TCP/IP协议，提供一种可靠的双向数据传输机制，适用于不同需求的物联网应用系统。为了解决终端数据上传周期不同，而影响系统整体延时时间的问题。在本设计中，将Web服务器端设置为数据传输的主动方，采用WebSocket技术将终端数据上传到网页上。同时，采取在LoRa服务器和Web服务器端建立MQTT链路，以此解决Web服务器周期性读取数据库带来的时间耗费过多问题。
　　4 低功耗设计
　　在LoRa系统的生命周期主要由LoRa终端的使用寿命决定，而在提高终端数据传输速率的同时，减少系统功耗也成为本设计的一个重点问题。
　　在LoRa的3种工作模式中，Class B的应用范围最广。而在该模式下，LoRa终端接收数据的时间有限。因此，若LoRa终端能够了解数据何时到达并根据数据大小来控制使用的接收窗口数量，则LoRa终端的功耗就会大幅度降低。本文使用DOTP机制进行低功耗的设计。在本设计中，终端会根据服务器发送数据的大小以及相应的信号强度，关闭多余的ping时隙，从而有效地解决ping时隙过度开发导致功耗大的問题。其时隙打开和关闭的情况，如图4所示。
　　根据图4对系统的功耗进行如下分析。
　　当不适用低功耗设计时，其功耗为：
　　w11= TPi+ 0.03mPi+ （128 -T - 0.03m）P2 （1）
　　使用本文所提出的低功耗设计方法后，其功耗为：
　　w2 =TP1+ 0.03（m-n）P1+
　　（2）
　　[128 -T - 0.03（m-n）]P2
　　通过对比可知，本文提出的低功耗设计方法有效地降低了LoRa终端的功能。
　　5 功能与性能测试
　　为了测试本文设计的实验室设备实时状态监控系统，在某校的教学楼二楼各实验室安装基于LoRa的烟雾、温湿度、视频监控节点，并在LoRa服务层中，对各节点状况进行监测。
　　5.1 功能测试
　　为了测试当前监控系统是否能正常工作并报警，采取人为遮挡摄像头、触发烟雾报警器、改变实验室温湿度等方式，测试监控系统是否正常工作。测试的结果如表1所示。
　　5.2 性能测试
　　本监控系统最重要的工作指标是其延迟性能，本文采用自动测试工具，对所设计系统的数据传输延时进行测试。图5为本文设计方案与传统的设计方案对比测试结果。由图可知，本文所设计的系统通信延时明显小于传统的方案，而且随着监测节点的逐渐增多，本方法的低延迟优势越发明显。
　　6 结语
　　本文以物联网技术作为切人点，以实验室设备状态监控为目标，采用LoRa技术，设计实现了基于LoRa技术的实验室设备实时状态监控系统。该系统在一定程度上解决了实验室中存在的安全隐患，同时实现不同实验室采用同一套监控系统，解决实验室监控系统的操作复杂、高延迟及高耗能等缺点。此外，该监控系统还可以根据不同的需求进行扩容，从而满足更高层次的要求。
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　　作者简介：杜坤（1982-），男，回族，河南商丘人，博士，讲师，研究方向为教育信息化、信号与信息处理。
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