基于LoRaWAN的智能園區(qū)管理系統(tǒng)

鄒東堯，劉寬，李娜娜，董蘇鑫，杜中州

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

隨著智能家居等方向的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人們生活中的使用越來越廣泛，人們可以通過各式各樣的傳感器來獲取所需要的信息，然后通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析與處理，通過反饋給予人們更加方便快捷的生活[1]。這是物與網(wǎng)與人的互聯(lián)互通，信息由傳感器采集之后經(jīng)由信道傳給接收端，其中作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸通道的通信技術(shù)也在日趨發(fā)展成熟。物聯(lián)網(wǎng)中的通信技術(shù)分為有線通信和無線通信[2]，有線通信是傳統(tǒng)的使用有線線纜做為通信信道，進(jìn)行信息的傳遞。而無線通信的主要傳輸方式有Wi-Fi、ZigBee、NFC、藍(lán)牙等傳輸協(xié)議[3]，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際使用中，無線通信是適用范圍最大的通信方式，但是現(xiàn)有的無線通信方式卻各有缺陷，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的控制要求，例如：Wi-Fi傳輸距離太短，ZigBee的通訊信號(hào)穿透能力和繞射能力差等[4]。最理想的無線傳輸方式是既有較遠(yuǎn)的傳輸距離還要有較低的功耗，所以距離和功耗之間難以取舍，是制約如今物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展普及的原因。

而LoRa出現(xiàn)可較好的改變這一現(xiàn)狀，LoRa是專門為了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而設(shè)計(jì)的一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是由Semtech公司提出的一種超長距離低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，LoRa使用線性的跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，把帶寬分成一個(gè)個(gè)小的子通道，發(fā)送者和接收者在一個(gè)通道上工作一段時(shí)間后跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)通道。LoRa數(shù)據(jù)傳輸時(shí)工作在多個(gè)不同的頻段上，當(dāng)一個(gè)頻段出現(xiàn)異常，就自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到相鄰的頻段進(jìn)行通信，這樣帶來的優(yōu)點(diǎn)就是保障了通信的穩(wěn)定性。在通信距離上可達(dá)到15Km以上，適用在長距離發(fā)送小數(shù)據(jù)的終端設(shè)備上[5]。故此，物聯(lián)網(wǎng)中無線通信選擇LoRa技術(shù)可較好解決通信問題。近年來，國內(nèi)外LoRa技術(shù)的發(fā)展十分迅速，在國外Lo?Ra技術(shù)日益發(fā)展成熟時(shí)，中國也成立了CLAA（China LoRa Application Alliance），以應(yīng)用聯(lián)盟的形式，促進(jìn)中國LoRa技術(shù)的商用化發(fā)展[6]。LoRa技術(shù)指標(biāo)對(duì)比于Wi-Fi、ZigBee，優(yōu)點(diǎn)可以參照表1所示。

表1 LoRa、Wi-Fi、ZigBee 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

1 系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)覆蓋一定范圍的LoRa局域網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)局域網(wǎng)環(huán)境中，首先數(shù)據(jù)采集端的傳感器節(jié)點(diǎn)采集外界信息，當(dāng)傳感器采集到信息之后，通過傳感器節(jié)點(diǎn)上的LoRa模塊經(jīng)由LoRaWAN向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息，經(jīng)管理端軟件對(duì)信息進(jìn)行接受處理之后，對(duì)信息做出對(duì)應(yīng)處理，例如顯示想要得到的信息或是發(fā)出操作指令。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在模塊上主要分為數(shù)據(jù)采集端、LoRaWAN、管理軟件端三部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)采集端的通過采集節(jié)點(diǎn)上的傳感器獲取外界數(shù)據(jù)，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳送到LoRa網(wǎng)關(guān)中。在本系統(tǒng)中，使用到的傳感器的類型主要有對(duì)火災(zāi)預(yù)警的火焰?zhèn)鞲衅骱屯＼噲?chǎng)管理的超聲波傳感器。每一個(gè)數(shù)據(jù)采集端由單片機(jī)連接傳感器和LoRa模塊，通過I2C或者SPI等方式從I/O口讀取傳感器信息，將信息經(jīng)計(jì)算處理后通過設(shè)定好的數(shù)據(jù)格式構(gòu)造一個(gè)數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送到LoRa模塊，經(jīng)LoRaWAN發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)。而LoRaWAN是為了讓LoRa節(jié)點(diǎn)互相通信而設(shè)計(jì)的完整的通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)定了系統(tǒng)至下而上依次是終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。在智能園區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們基于LoRaWAN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)格式，包括數(shù)據(jù)的開始位和結(jié)束位、設(shè)備的id號(hào)、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式等。LoRa網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)模型，由一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)接收處理所有的信息，各個(gè)采集模塊通過LoRa模塊接入到LoRa網(wǎng)關(guān)中。LoRa網(wǎng)關(guān)通過串口連接至管理PC，通過操作，LoRa網(wǎng)關(guān)可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給某個(gè)或全部的數(shù)據(jù)采集模塊。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為傳感器節(jié)點(diǎn)和LoRa網(wǎng)關(guān)兩部分，硬件服務(wù)于信息的采集和傳遞階段。傳感器感知外界信息，LoRa網(wǎng)關(guān)對(duì)信息進(jìn)行接收。

系統(tǒng)在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了停車場(chǎng)檢測(cè)模塊和和火災(zāi)報(bào)警模塊，停車場(chǎng)檢測(cè)模塊利用超聲波傳感器，通過放置在在車位下方的中心地面的傳感器檢測(cè)在當(dāng)前車位是否有車輛停放。檢測(cè)停車場(chǎng)車位信息的傳感器選用HC-SR04。這個(gè)超聲波測(cè)距傳感器能提供2cm至400cm的非接觸距離感測(cè)功能[7]，因?yàn)槠嚨妆P距離地面的高度不會(huì)超過幾十厘米，所以將該超聲波模塊嵌入于停車位的中心地面上，可以敏銳的檢測(cè)上方是否車輛停放。而火災(zāi)報(bào)警模塊在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器基礎(chǔ)上，加裝火焰?zhèn)鞲衅?，以提高?duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的靈敏度，傳感器硬件上由LM393和紅外發(fā)射管組成，可以檢測(cè)火源或者波長為700nm～1000nm的熱源[8]。當(dāng)檢測(cè)到煙霧或火焰時(shí)，會(huì)第一時(shí)間采集外界信息的改變，迅速傳遞是否有火災(zāi)發(fā)生的信息。

LoRa網(wǎng)關(guān)是信息傳遞的關(guān)鍵部位，LoRa網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)采用S78s網(wǎng)關(guān)，使其運(yùn)行LoRa網(wǎng)關(guān)的代碼來實(shí)現(xiàn)的所有功能，包括數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、處理等[9]，通過串口連接至管理平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集端采集來的所有數(shù)據(jù)都要傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)中，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的解包分析后，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上層的管理平臺(tái)。同時(shí)，管理平臺(tái)下發(fā)的所有數(shù)據(jù)都要通過LoRa網(wǎng)關(guān)分發(fā)到數(shù)據(jù)采集端。所以LoRa網(wǎng)關(guān)必須能夠穩(wěn)定且高效的來進(jìn)行LoRa網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件組成包含兩部分，分別是由下位機(jī)數(shù)據(jù)采集端程序和上位機(jī)程序。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集端程序分別包括停車場(chǎng)模塊軟件、安防模塊軟件等。上位機(jī)為管理軟件端，對(duì)信息進(jìn)行接收處理并發(fā)出指令。上位機(jī)與下位機(jī)會(huì)通過LoRaWAN進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集端軟件

數(shù)據(jù)采集端作為下位機(jī)，軟件功能分為三個(gè)部分，一是通過傳感器采集相關(guān)的有用的信息，二是通過串口發(fā)送到LoRaWAN當(dāng)中，三是從LoRaWAN中接收到數(shù)據(jù)時(shí)執(zhí)行相關(guān)的操作。設(shè)計(jì)上將采集和發(fā)送功能一起進(jìn)行，下位機(jī)通過GPIO口讀取到各類傳感器采集的信息，然后按照設(shè)定好的通信協(xié)議添加額外數(shù)據(jù)，形成的完整數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送。發(fā)送完后設(shè)置定時(shí)器，進(jìn)入休眠狀態(tài)，定時(shí)器重置后會(huì)再次進(jìn)行讀數(shù)據(jù)、發(fā)數(shù)據(jù)、設(shè)置定時(shí)器、休眠，如無中斷，系統(tǒng)會(huì)一直運(yùn)行。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的命令信息后，會(huì)通過串口來實(shí)現(xiàn)中斷，軟件設(shè)置打開串口中斷功能，當(dāng)LoRa接收到數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送到下位機(jī)，產(chǎn)生串口中斷，然后單片機(jī)會(huì)停止當(dāng)前的任務(wù)去接收數(shù)據(jù)，完成后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，按照命令執(zhí)行相關(guān)操作，完成后返回執(zhí)行前的程序。整個(gè)軟件的流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集端系統(tǒng)流程圖

停車場(chǎng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通過使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器正常工作，在軟件中，會(huì)通過延時(shí)或循環(huán)產(chǎn)生100個(gè)40kHz的方波，同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)方波碰到障礙便會(huì)返回，超聲波模塊接收到返回信號(hào)后通過GPIO口給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生中斷，使其進(jìn)入中斷程序中。在傳感器終端中，首先停止計(jì)時(shí)器，等待超聲波發(fā)送結(jié)束，檢測(cè)時(shí)間和計(jì)算距離，將結(jié)果保存，清除中斷并打開串口發(fā)送數(shù)據(jù)給LoRa模塊，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理系統(tǒng)中。管理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)信息的更新顯示。超聲波檢測(cè)軟件流程圖如圖3所示。

安防系統(tǒng)流程相似于超聲波檢測(cè)流程，系統(tǒng)中的火焰檢測(cè)主要是通過判斷傳感器輸出端的電平，輸出端通常默認(rèn)為高電平，如檢測(cè)到輸出端為高電平，則表明火焰?zhèn)鞲衅魑礄z測(cè)到火源，不做報(bào)警處理。如檢測(cè)到傳感器輸出端為低電平，則表示火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到了火源，進(jìn)行報(bào)警處理。所以軟件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)模塊：檢測(cè)傳感器輸出端電平的高低和串口數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3.2 LoRaWAN

LoRaWAN是為了讓LoRa節(jié)點(diǎn)互相通信而設(shè)計(jì)的完整的通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。其中，通信協(xié)議包含了節(jié)點(diǎn)的分類、加密、MAC命令、地區(qū)參數(shù)等等各類信息，從設(shè)計(jì)上保證了使用LoRa的各個(gè)廠商可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)定了系統(tǒng)至下而上依次是終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。我們?cè)贚oRaWAN的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的不同的數(shù)據(jù)標(biāo)志位來區(qū)分各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們基于LoRaWAN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)出了適合本系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)格式，包括數(shù)據(jù)的開始位和結(jié)束位、設(shè)備的id號(hào)、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式等。例如在停車場(chǎng)系統(tǒng)中，我們假設(shè)了該小區(qū)具有三個(gè)停車場(chǎng)分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，同樣用A、B、C來進(jìn)行表示，然后用1和0表示該車位上是否有車輛停靠。或是在智能安防系統(tǒng)中，我們通過設(shè)備的ID號(hào)來區(qū)分是哪一區(qū)域發(fā)生險(xiǎn)情，直接將險(xiǎn)情區(qū)域信息放在數(shù)據(jù)包內(nèi)。

3.3 上位機(jī)管理軟件

上位機(jī)軟件使用C++語言結(jié)合MFC輔助進(jìn)行開發(fā)。因LoRa網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)是通過PC的串口上傳[10]，使用上位機(jī)軟件首先應(yīng)打開對(duì)應(yīng)的串口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽。接收傳送來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析獲取有用的信息，最后將數(shù)據(jù)賦給對(duì)應(yīng)的控件，并對(duì)其進(jìn)行顯示或其他的操作。當(dāng)上位機(jī)下達(dá)命令時(shí)，通過串口直接發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)。串口的通信設(shè)置中端口號(hào)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)的掃描顯示，然后打開系統(tǒng)即可；停車場(chǎng)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)更新當(dāng)前區(qū)域內(nèi)剩余車位數(shù)量，后期可根據(jù)需求對(duì)車位的位置進(jìn)行定位，進(jìn)行導(dǎo)航指引；當(dāng)有火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，著火區(qū)域會(huì)顯示險(xiǎn)情發(fā)生的區(qū)域戶號(hào)，同時(shí)會(huì)打開設(shè)備的喇叭對(duì)管理者進(jìn)行警報(bào)，當(dāng)對(duì)火情進(jìn)行排查或處理后，需要管理員在管理端軟件輸入密碼手動(dòng)解除警報(bào)，否則警報(bào)不會(huì)關(guān)閉。上位機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)控制系統(tǒng)

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

在校園內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選取一個(gè)車位安裝停車場(chǎng)檢測(cè)裝置，并隨機(jī)在區(qū)域內(nèi)選取了一個(gè)點(diǎn)作為火災(zāi)測(cè)試區(qū)域，然后用電腦連接LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初步的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交換的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在6個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，車位檢測(cè)車輛進(jìn)出共6次，發(fā)送數(shù)據(jù)包6次，控制端準(zhǔn)確更新對(duì)應(yīng)車位空閑情況的信息。對(duì)兩個(gè)火災(zāi)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，用打火機(jī)火源模擬真實(shí)火源狀況，共計(jì)測(cè)試40次，每次測(cè)試結(jié)果均正常，控制端能夠判斷出發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域。

LoRa技術(shù)的通信指標(biāo)中很重要的一項(xiàng)指標(biāo)是通信距離，通信距離的測(cè)試受很多因素的影響，包括但不限于是否有障礙物遮擋、是否有其他的干擾信號(hào)等。我們?cè)谛@內(nèi)進(jìn)行了LoRa節(jié)點(diǎn)到LoRa網(wǎng)關(guān)的通信距離的測(cè)試，模擬真實(shí)環(huán)境中的各種干擾因素，實(shí)測(cè)把LoRa網(wǎng)關(guān)安放在圖書館東側(cè)，節(jié)點(diǎn)可以覆蓋以圖書館東側(cè)為中心的所有區(qū)域，以證明LoRa技術(shù)對(duì)長距離傳輸?shù)闹С帧?/p>

圖5 測(cè)試距離在地圖上展示

校園內(nèi)，通過布置了三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)，組成了一個(gè)小型的LoRa網(wǎng)絡(luò)。連續(xù)運(yùn)行24個(gè)小時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)共計(jì)上傳到LoRa網(wǎng)關(guān)343個(gè)數(shù)據(jù)包。停車場(chǎng)系統(tǒng)中，控制端數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的記錄并顯示車位是否被占用；安防系統(tǒng)中，當(dāng)我們?cè)趥鞲衅鞲浇c(diǎn)燃火源時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地顯示出險(xiǎn)情區(qū)域，并播放報(bào)警聲音。測(cè)試結(jié)果顯示，基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的智能園區(qū)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行并符合預(yù)期。

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術(shù)在傳輸距離和傳輸功耗上難以取舍的問題，本文提出基于LoRaWAN的低功耗智能園區(qū)管理系統(tǒng)，通過對(duì)信息傳遞的三層結(jié)構(gòu)，分析并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模型。由技術(shù)對(duì)比可知，在和傳統(tǒng)的無線傳輸方式比較上，LoRaWAN因其能實(shí)現(xiàn)低功耗且遠(yuǎn)距離地傳輸信息，符合物聯(lián)網(wǎng)的通信需求。該系統(tǒng)基于LoRaWAN，可以靈活地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的部署，并根據(jù)用戶需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能的介入，對(duì)于未來，我們計(jì)劃將系統(tǒng)與諸多便民業(yè)務(wù)相聯(lián)，使智能園區(qū)可提供的服務(wù)更全面、更便捷。