智慧校園之基于LoRa技術(shù)的環(huán)境檢測分析系統(tǒng)

江武志 羅玉文

摘 要：基于LoRa的環(huán)境檢測分析系統(tǒng)由傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過LoRa通信模塊傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)，后臺服務(wù)程序通過訂閱MQTT代理從LoRa網(wǎng)關(guān)獲取傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，后臺服務(wù)程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲、統(tǒng)計、分析；后臺服務(wù)程序提供統(tǒng)一的RESTful數(shù)據(jù)接口供應(yīng)用層調(diào)用；Web前端頁面展示實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)查詢。實現(xiàn)對校園環(huán)境的實時檢測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

關(guān)鍵詞：LoRa；傳感器；環(huán)境檢測；統(tǒng)計分析

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-04

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，校園信息化建設(shè)也進(jìn)入了“智慧校園”的時代，校園環(huán)境全面感知是“智慧校園”的基礎(chǔ)，對校園環(huán)境進(jìn)行檢測分析，為校園環(huán)境治理提供依據(jù)以及為校園環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)通過RJ45網(wǎng)口或RS485通信方式采集數(shù)據(jù)的有線網(wǎng)絡(luò)方案具有布線難、布線成本高、傳輸距離短等缺點。LoRa 是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗折衷的考慮方式，是一種能夠簡單實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而可擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa網(wǎng)絡(luò)易于建設(shè)和部署，具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性，已成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，發(fā)展形勢如火如荼。隨著中國LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（CLAA）的成立，LoRa技術(shù)的CLAA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案已經(jīng)形成，國內(nèi)LoRa網(wǎng)絡(luò)部署全面起跑。

LoRa技術(shù)具有部署簡單、成本低、易于維護(hù)、云聯(lián)網(wǎng)等特點，是本文系統(tǒng)構(gòu)建的首選。

1 設(shè)計思路

基于LoRa的環(huán)境檢測分析系統(tǒng)采用分布式、微服務(wù)設(shè)計方式，將服務(wù)細(xì)分，使每個服務(wù)的功能盡可能單一，降低服務(wù)之間的耦合，使系統(tǒng)可獨立部署運行和擴(kuò)展。微服務(wù)可以做負(fù)載均衡，提高了性能和可靠性。

本系統(tǒng)主要由傳感層、網(wǎng)關(guān)、后臺服務(wù)、應(yīng)用層（Web）組成。

（1）傳感層由RS 485溫濕度傳感器、RS 485 PM2.5粉塵傳感器、RS 485電表構(gòu)成，通過RS 485總線接入到LoRa通信模塊；

（2）網(wǎng)關(guān)由LoRa通信模塊和嵌入式工控機構(gòu)成；

（3）后臺服務(wù)提供數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計、分析服務(wù)和統(tǒng)一的RESTful數(shù)據(jù)接口；

（4）Web提供數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)查詢等用戶交互頁面。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 LoRa簡介

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等。

2.1 LoRa特性

LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本等特性。

2.2 LoRa網(wǎng)絡(luò)

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、Server和云四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

2.3 LoRaWAN協(xié)議

LoRaWAN是 LoRa聯(lián)盟推出的一個基于開源MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network， LPWAN）標(biāo)準(zhǔn)。這一技術(shù)可為電池供電的無線設(shè)備提供局域、全國或全球網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全雙向通信、移動通信和靜態(tài)位置識別等服務(wù)。該技術(shù)無需本地復(fù)雜配置就可實現(xiàn)智能設(shè)備間的無縫對接互操作，為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)提供自由操作權(quán)限。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件接入

RS 485數(shù)據(jù)采集器（溫濕度、空氣質(zhì)量、電表）通過RS485總線接入LoRa通信模塊，通過LoRa通信模塊將數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)端的LoRa通信模塊。數(shù)據(jù)采集器端數(shù)據(jù)為被動上傳方式，由網(wǎng)關(guān)定時下發(fā)指令獲取數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)關(guān)程序

網(wǎng)關(guān)（Gateway）又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)在傳輸層上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，僅用于兩個高層協(xié)議間的網(wǎng)絡(luò)互連。

網(wǎng)關(guān)程序主要由RS 232轉(zhuǎn)TCP驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)儲存程序、數(shù)據(jù)上傳程序、MQTT程序（數(shù)據(jù)生產(chǎn)者）組成。LoRa通信模塊通過RS 232接入嵌入式工控機，通過RS 232轉(zhuǎn)TCP驅(qū)動程序?qū)oRa接收到的采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)采集程序通過Socket通信獲取數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 MQTT服務(wù)

4.1 MQTT簡介

MQTT是基于二進(jìn)制消息發(fā)布/訂閱編程模式的消息協(xié)議，最早由IBM提出，如今已成為OASIS規(guī)范。由于規(guī)范較簡單，非常適合需要低功耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的IoT場景。

4.2 MQTT設(shè)計原則

（1）精簡，不添加可有可無的功能。

（2）發(fā)布/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞。

（3）允許用戶動態(tài)創(chuàng)建主題，零運維成本。

（4）把傳輸量降到最低以提高傳輸效率。

（5）把低帶寬、高延遲、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)等因素考慮在內(nèi)。

（6）支持連續(xù)的會話控制。

（7）理解客戶端計算能力可能較低。

（8）提供服務(wù)質(zhì)量管理。

（9）假設(shè)數(shù)據(jù)不可知，不強求傳輸數(shù)據(jù)的類型與格式，保持靈活性。

4.3 MQTT發(fā)布/訂閱模式

與請求/回答這種同步模式不同，發(fā)布/定義模式解耦了發(fā)布消息的客戶（發(fā)布者）與訂閱消息的客戶（訂閱者）之間的關(guān)系，這意味著發(fā)布者和訂閱者之間無需直接建立聯(lián)系。

（1）發(fā)布者與訂閱者不必了解彼此，只要認(rèn)識同一個消息代理即可。

（2）發(fā)布者和訂閱者不需要交互，發(fā)布者無需等待訂閱者確認(rèn)而導(dǎo)致鎖定。

（3）發(fā)布者和訂閱者不需要同時在線，可以自由選擇時間來消費消息。

4.4 MQTT主題

MQTT通過主題對消息進(jìn)行分類，其本質(zhì)是一個UTF-8字符串，可通過反斜杠表示多個層級關(guān)系。主題無需創(chuàng)建，直接使用即可。

主題還可通過通配符進(jìn)行過濾。其中，“+”可以過濾一個層級，而“·”只能出現(xiàn)在主題最后，表示過濾任意級別的層級。舉例如下：

building-b/floor-5：代表B樓5層的設(shè)備。

+/floor-5：代表任何一個樓的5層的設(shè)備。

building-b/·：代表B樓所有的設(shè)備。

雖然MQTT允許使用通配符訂閱主題，但并不允許使用通配符廣播。

4.5 MQTT服務(wù)質(zhì)量

為了滿足不同的場景，MQTT支持三種不同級別的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），為不同場景提供消息可靠性：

（1）級別0：盡力而為。消息發(fā)送者會想盡辦法發(fā)送消息，但遇到意外并不會重試。

（2）級別1：至少一次。消息接收者如果沒有知會或者知會本身丟失，消息發(fā)送者會再次發(fā)送以保證消息接收者至少會收到一次，但也可能造成重復(fù)消息。

（3）級別2：恰好一次。保證這種語義肯定會減少并發(fā)或者增加延時，但如果丟失或重復(fù)消息不可接受時，級別2最合適。

級別2所提供的不重不丟在很多情況下都是最理想的，但往返多次的確認(rèn)會給并發(fā)和延遲帶來影響。級別1提供的至少一次語義在日志處理場景下完全足夠，所以像Kafka這類系統(tǒng)利用此特點減少確認(rèn)，可大大提高并發(fā)。級別0適合雞肋數(shù)據(jù)場景，暫且保留。

4.6 MQTT消息類型

MQTT擁有14種不同的消息類型：

（1）CONNECT：客戶端連接到MQTT代理。

（2）CONNACK：連接確認(rèn)。

（3）PUBLISH：新發(fā)布消息。

（4）PUBACK：新發(fā)布消息確認(rèn)，是QoS 1給PUBLISH消息的回復(fù)。

（5）PUBREC：QoS 2消息流的第一部分表示消息發(fā)布已記錄。

（6）PUBREL：QoS 2消息流的第二部分表示消息發(fā)布已釋放。

（7）PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分表示消息發(fā)布完成。

（8）SUBSCRIBE：客戶端訂閱某個主題。

（9）SUBACK：對于SUBSCRIBE消息的確認(rèn)。

（10）UNSUBSCRIBE：客戶端終止訂閱的消息。

（11）UNSUBACK：對于UNSUBSCRIBE消息的確認(rèn)。

（12）PINGREQ：心跳。

（13）PINGRESP：確認(rèn)心跳。

（14）DISCONNECT：客戶端終止連接前通知MQTT代理。

4.7 MQTT代理

Mosquitto是MQTT的開源代理，遵循MQTT v3.1.1協(xié)議。

5 后臺服務(wù)

后臺服務(wù)采用Java語言編寫，由數(shù)據(jù)解析服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析服務(wù)、用戶管理模塊、設(shè)備節(jié)點管理模塊、實時數(shù)據(jù)模塊組成。后臺服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5.1 數(shù)據(jù)解析服務(wù)

數(shù)據(jù)解析服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，獲得溫濕度、PM2.5、用電量等數(shù)據(jù)，并將解析的數(shù)據(jù)存入Rides緩存，由相應(yīng)的服務(wù)程序獲取并做相應(yīng)的處理。

5.2 數(shù)據(jù)存儲服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)程序從Rides緩存中獲取解析后的數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入MySQL對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中。

5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析服務(wù)

統(tǒng)計當(dāng)月平均每天的（24小時平均值）溫度、濕度；統(tǒng)計當(dāng)月每天PM2.5污染指數(shù)與指數(shù)類別；統(tǒng)計當(dāng)月每天的用電量。數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖5所示。

5.4 用戶管理模塊

用戶管理模塊提供用戶添加、用戶刪除、用戶信息修改、密碼更改、用戶列表查詢、用戶登陸、注銷等功能。如圖6所示。

5.5 設(shè)備節(jié)點管理模塊

設(shè)備節(jié)點管理模塊可提供設(shè)備節(jié)點添加、設(shè)備節(jié)點刪除、設(shè)備節(jié)點信息修改、設(shè)備節(jié)點列表查詢等功能，如圖7所示。

5.6 實時數(shù)據(jù)模塊

實時數(shù)據(jù)模塊可獲取各監(jiān)測點當(dāng)前的實時溫濕度、PM2.5、用電量，如圖8所示。

6 數(shù)據(jù)建模

功能建模如圖9所示。

數(shù)據(jù)建模如圖10所示。

編號：001

職責(zé)：存儲采集的數(shù)據(jù)。

屬性：ID，溫度，濕度，PM2.5，電流，電壓，功率，（總）用電量，創(chuàng)建時間。

說明：數(shù)據(jù)采集類與數(shù)據(jù)天統(tǒng)計類存在依賴關(guān)系，數(shù)據(jù)天統(tǒng)計類每天數(shù)據(jù)的生成依賴數(shù)據(jù)采集類采集的數(shù)據(jù)。

編號：002

職責(zé)：對每天采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。

屬性：ID，平均溫度，平均濕度，平均 PM2.5 濃度，（當(dāng)天）用電量，創(chuàng)建時間。

說明：數(shù)據(jù)天統(tǒng)計類與數(shù)據(jù)采集類存在依賴關(guān)系， 數(shù)據(jù)天統(tǒng)計類每天數(shù)據(jù)的生成依賴數(shù)據(jù)采集類采集的數(shù)據(jù)。

7 結(jié) 語

本環(huán)境檢測分析系統(tǒng)通過溫濕度傳感器、PM2.5粉塵傳感器、電表采集校園的環(huán)境數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)，實時檢測校園的環(huán)境情況。通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析校園的環(huán)境情況以及校園用電情況，為校園環(huán)境治理提供依據(jù)，為校園環(huán)境保護(hù)規(guī)劃以及校園節(jié)能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為未來的“智慧校園”提供數(shù)據(jù)支持。

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