基于LoRa的城市環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔建強(qiáng)，張建民，邱明杰，亓?xí)札?，尹子良，?艷

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

當(dāng)今世界信息爆炸，在各種數(shù)據(jù)快速、無誤差傳輸?shù)臈l件下，降低數(shù)據(jù)信息傳輸成本尤為重要。檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸依賴網(wǎng)絡(luò)，因此建造環(huán)境檢測(cè)點(diǎn)需要搭建網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與之配套。目前，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)普遍應(yīng)用的是GPRS技術(shù)，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)的不利因素是隨著系統(tǒng)的需求基站數(shù)目迅速增加，用戶將為數(shù)據(jù)的傳輸支付巨額的流量費(fèi)用。同時(shí)，我國現(xiàn)有的基于GPRS的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備耗資巨大、結(jié)構(gòu)透明度差、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸慢且不便于管理。而遠(yuǎn)程（long range，LoRa）技術(shù)是一種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、節(jié)點(diǎn)多、成本低的特性，在國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛[1-2]。本文借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)采用STM32F10x系列芯片作為控制處理器，前端采用環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器，利用RS485或RS422總線傳輸。應(yīng)用LoRa模塊，該模塊不同于GPRS需要各種協(xié)議，通過LoRa在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，不需要向運(yùn)營商支付費(fèi)用，并且擁有獨(dú)特的多層數(shù)據(jù)加密功能，獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)密鑰（EU164）、應(yīng)用密鑰（EU164）[3]、設(shè)備密鑰（EUI128），具有超強(qiáng)抗噪聲干擾能力，使用高擴(kuò)頻因子可使小數(shù)據(jù)通過大范圍。經(jīng)無線電發(fā)送，擴(kuò)頻因子越高，抗噪聲干擾能力越強(qiáng)，實(shí)用性越強(qiáng)，只需6個(gè)LoRa模塊就能覆蓋10 km*10 km的場(chǎng)地，并能保證其最佳工作性能。對(duì)于基站的建設(shè)，系統(tǒng)使用本項(xiàng)目組自主研發(fā)的串口（RS485或RS422）擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)批量無線數(shù)據(jù)的傳輸及以低成本創(chuàng)造高效益的目標(biāo)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 LoRa社區(qū)監(jiān)控平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

將LoRa通信功能的傳感器安置于每位用戶監(jiān)測(cè)區(qū)域的關(guān)鍵位置，以檢測(cè)當(dāng)前用戶家庭室內(nèi)或室外的空氣質(zhì)量、溫濕度、CO2含量等各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，將經(jīng)處理器處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。用戶也可自主設(shè)定上限參數(shù)，系統(tǒng)將對(duì)其作出相應(yīng)的提示。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性依賴于LoRa出色的信號(hào)傳輸能力和強(qiáng)大的抗干擾設(shè)計(jì)，通過LoRa通信模塊與各個(gè)模塊相連接，構(gòu)成了與遠(yuǎn)程接收端的橋梁[4]。遠(yuǎn)程接收端將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再通過UART協(xié)議發(fā)送到PC上位機(jī)端。監(jiān)控平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

2 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，也是諸多LPWAN通信技術(shù)中的一種，該技術(shù)能為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線通信手段。目前，LoRa主要在ISM頻段運(yùn)行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等頻段[5]。LoRa 融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器和云4部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)能夠雙向傳輸。以SX1278無線傳輸模塊為例，其穿透能力強(qiáng)，功耗小，傳輸距離遠(yuǎn)，最大傳輸距離達(dá)11 km。LoRa模塊已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)，如智能建筑、智能電網(wǎng)、智能交通、無線自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、石化等領(lǐng)域。

LoRa的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)方面的長距離傳輸能力。單個(gè)網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋整個(gè)城市或數(shù)百平方公里范圍。在一個(gè)給定的位置，傳輸距離在很大程度上取決于環(huán)境或障礙物，但LoRaR和LoRaWAN鏈路預(yù)算優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)。鏈路預(yù)算通常以dB為單位，是在給定的環(huán)境中決定距離的主要因素。通過小量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，便可以覆蓋到整個(gè)國家[6]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 LoRa無線電臺(tái)傳輸模塊設(shè)計(jì)

采用SX1278無線通信模塊，SX1278是半雙工傳輸?shù)牡椭蓄l收發(fā)器，接收的射頻信號(hào)首先經(jīng)過低噪聲放大器（LNA），LNA為單端輸入；采用差分信號(hào)以改善二級(jí)諧波；中頻（IF）輸出同相正交信號(hào)（I&Q）[7]；ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所有信號(hào)處理解調(diào)均在數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行，數(shù)字狀態(tài)機(jī)控制自動(dòng)頻率校正（AFC）、接收信號(hào)強(qiáng)度[8]。SX1278包含2個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)、一個(gè)RC振蕩器以及一個(gè)32M晶振。射頻前端和數(shù)字狀態(tài)機(jī)所有重要參數(shù)均可通過一個(gè)SPI接口進(jìn)行配置，通過SPI可以訪問SX1278的配置寄存器。SX1278無線模塊具有+14 dBm的高效功率放大器、達(dá)300 kbps的可編程比特率以及高靈敏度（低至-148 dBm）等諸多優(yōu)點(diǎn)。

LoRa為一種無線調(diào)制的方式，對(duì)比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，其在抑制同頻干擾方面優(yōu)勢(shì)明顯，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無法同時(shí)兼顧距離遠(yuǎn)、抗干擾和功耗低的不足。另外，LoRa模塊集成了+20 dBm的可調(diào)功率放大器，并獲得超過-148 dBm的接收靈敏度，適用于遠(yuǎn)距離傳輸且對(duì)可靠性要求高的場(chǎng)合，如可以進(jìn)行廣播性透明傳輸，發(fā)送任意一個(gè)地址相同、信道相同、空速相同的模塊，其余的都可以實(shí)現(xiàn)接收、廣泛監(jiān)聽和定點(diǎn)發(fā)射功能。模塊同時(shí)具有RS232和RS458兩種通信接口。電路板采用PCB4層板布線，具有獨(dú)立的、完整的GND；模塊設(shè)有4種切換模式，即一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，適用于各種場(chǎng)合。ZM470SX節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 ZM470SX節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)可以完成實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍的溫濕度[9]、PM2.5、降雨量、空氣質(zhì)量、大氣壓以及震動(dòng)強(qiáng)度等多種數(shù)據(jù)信息，按照設(shè)定值進(jìn)行比較并預(yù)警，當(dāng)相應(yīng)數(shù)據(jù)過高時(shí)發(fā)出報(bào)警。環(huán)境檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 環(huán)境檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

（1）PM2.5檢測(cè) PM2.5檢測(cè)使用DSL-03激光數(shù)字式PM2.5傳感器，內(nèi)置激光器和光電接收組件，運(yùn)用光的散射原理，激光在顆粒物上產(chǎn)生散射光，由光電接收器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過特定算法計(jì)算出PM2.5質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度、PM0.3～PM2.5粒子個(gè)數(shù)、PM2.5～PM10粒子個(gè)數(shù)。通過檢測(cè)可判斷該區(qū)域是否適合出行活動(dòng)以及發(fā)出相應(yīng)預(yù)警。該傳感器具有體積小巧、安裝方便、檢測(cè)速度快、檢測(cè)數(shù)值穩(wěn)定準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（2）有害氣體檢測(cè) 空氣中的有害氣體量過高，對(duì)環(huán)境和人體健康均有不良影響，故使用MQ135傳感器對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)。MQ135傳感器對(duì)硫化物、氨氣、苯系蒸汽的檢測(cè)靈敏度較高，可檢測(cè)多種有害氣體。

（3）CO2檢測(cè) CO2濃度過高會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)、冰川融化等災(zāi)害，所以需對(duì)CO2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)為電化學(xué)CO2傳感器，適用于CO2的定性測(cè)量。模塊自帶信號(hào)放大電路，進(jìn)一步提高了檢測(cè)的靈敏度。

（4）其他檢測(cè) 系統(tǒng)還可對(duì)溫濕度、大氣壓、降雨量以及土壤濕度等進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)。

3.3 RFID射頻卡識(shí)別與觸摸屏顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用射頻卡人員識(shí)別系統(tǒng)，只需在身份識(shí)別后方可進(jìn)行操作[10]，避免了非工作人員的誤操作。觸摸屏可顯示識(shí)別人員身份，識(shí)別失敗多次將自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警裝置。身份驗(yàn)證成功即可進(jìn)入選擇輸入監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)界面，進(jìn)行選擇監(jiān)測(cè)顯示。

3.4 單端GPS定位與液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)主要是為了方便工作人員在各節(jié)點(diǎn)直觀地觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)也便于大眾了解該區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)。GPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方便了工作人員直接讀取某一地點(diǎn)的數(shù)據(jù)，有效減輕了工作人員的工作量。

3.5 太陽能充電模塊設(shè)計(jì)

在使用過程中節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)會(huì)消耗較大的能量，為了能長期使用，采取太陽電池板。太陽電池板是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，具有自動(dòng)存儲(chǔ)功能，既省電又環(huán)保。

3.6 處理器的選擇

處理器選用STM32F10X型號(hào)的單片機(jī)，該單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司為嵌入式系統(tǒng)專門開發(fā)設(shè)計(jì)的一款超低功耗、低價(jià)格、超高性能的處理器。STM32系列中STM32F103為32位處理器，相比16位和8位單片機(jī)，有顯著的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)和寄存器配置，易兼容、易購買，整體的開發(fā)成本也能大幅度降低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的處理與傳輸，通過服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)上。

4.1 環(huán)境可視化設(shè)計(jì)

可視化結(jié)構(gòu)由計(jì)算器服務(wù)器、文件服務(wù)器及登錄節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。直觀數(shù)據(jù)有CO2濃度、土壤濕度、空氣溫濕度、大氣壓值以及降雨量等。系統(tǒng)所覆蓋的區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)學(xué)校（宿舍樓、食堂、人工湖、教室、操場(chǎng)）的公共場(chǎng)所。

4.1.1 整體設(shè)計(jì)

（1）傳感器的數(shù)據(jù)采集，按鍵的判斷，聲光提醒；

（2）數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上的顯示，對(duì)特殊字符的編寫；

（3）LoRa模塊數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送，將打包數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)[11]；

（4）上位機(jī)數(shù)據(jù)的接收及處理，并顯示在對(duì)話框中；

（5）設(shè)置系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)，危險(xiǎn)情況下能第一時(shí)間響應(yīng)。

4.1.2 PC上位機(jī)

可視化系統(tǒng)平臺(tái)上位機(jī)顯示采用Processing軟件編寫。Processing是一種具有革命前瞻性的新興計(jì)算機(jī)語言，其概念是在電子藝術(shù)的環(huán)境下介紹程序語言，并將電子藝術(shù)的概念介紹給程序設(shè)計(jì)師。它是Java語言的一種延伸，支持許多現(xiàn)有Java語言架構(gòu)，在語法上更加簡(jiǎn)易。

系統(tǒng)上位機(jī)可以單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，也可全局節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；可完全數(shù)據(jù)化顯示，也可轉(zhuǎn)化為直方圖直觀查看，通過不同顏色顯示出環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)的濃度。軟件系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)流程

4.1.3 上位機(jī)監(jiān)控圖像的顯示

環(huán)境檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳送到主端，再由Processing編寫的上位機(jī)系統(tǒng)在PC機(jī)上顯示。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示

4.2 編程設(shè)計(jì)

Keil uVision5 MDK軟件主要分為2大類：一類針對(duì)C51的編程環(huán)境；一類針對(duì)于MDK的編程環(huán)境。2類軟件在工作窗口布局的設(shè)計(jì)上幾乎相同。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Keil 5 MDK的編程環(huán)境，除保留了之前的一些配置外，對(duì)軟件整體進(jìn)一步優(yōu)化，STM32作為一款A(yù)RM內(nèi)核單片機(jī)，在此編程環(huán)境下有利于系統(tǒng)的開發(fā)，為整個(gè)設(shè)計(jì)提供了極大的便捷，軟件內(nèi)置強(qiáng)大的仿真功能以及多種燒錄方式。

5 測(cè)試及分析

5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）對(duì)PM2.5檢測(cè)傳感器進(jìn)行調(diào)試，對(duì)其實(shí)際響應(yīng)聲光提示進(jìn)行記錄，煙霧采集數(shù)據(jù)、聲光提示記錄如表1所示。

表1 煙霧采集數(shù)據(jù)、聲光提示記錄

（2）對(duì)LoRa模塊傳輸距離進(jìn)行記錄，分析其系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。傳輸距離、傳輸狀態(tài)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 傳輸距離、傳輸狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

（3）對(duì)于PC端上位機(jī)，實(shí)時(shí)切換用戶的數(shù)據(jù)顯示以及超出設(shè)定值的數(shù)據(jù)，提示窗口功能測(cè)試表，通過對(duì)系統(tǒng)的多次測(cè)量，提高整體的穩(wěn)定性。上位機(jī)顯示、窗口提示測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 上位機(jī)顯示、窗口提示測(cè)試結(jié)果

5.2 測(cè)試結(jié)論

（1）當(dāng)按鍵選擇菜單進(jìn)入不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境時(shí)，顯示界面能第一時(shí)間顯示當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）當(dāng)外界情況發(fā)生變化時(shí)能快速地保存數(shù)據(jù)，發(fā)送到接收端進(jìn)行打包，發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)顯示。

（3）當(dāng)PM2.5濃度到達(dá)30%時(shí)，燈光提醒；PM2.5質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)，當(dāng)前數(shù)據(jù)會(huì)被提升到最高優(yōu)先級(jí)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，聲光報(bào)警。

（4）LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸模塊在傳輸距離大于3 km時(shí)，數(shù)據(jù)易丟失，因此小于3km為可靠傳輸距離。

（5）PC端切換用戶，能實(shí)時(shí)顯示所選擇的相應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)，危險(xiǎn)氣體超標(biāo)時(shí)，窗口做出提示。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的城市環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了我國現(xiàn)有的基于GPRS的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備耗資大、結(jié)構(gòu)透明度差、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸慢，不便于管理等缺點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了城市環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化。項(xiàng)目組研發(fā)的串口（RS485或RS422）擴(kuò)展技術(shù)具有獨(dú)特的創(chuàng)新。LoRa技術(shù)與網(wǎng)關(guān)之間的通信，使得工作人員無需到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)便可以了解當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)，而且可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，隨時(shí)了解環(huán)境變化情況，極大地提高了辦公和通信效率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)功耗低、范圍廣、傳輸透明、檢測(cè)數(shù)據(jù)廣，可用于道路、礦場(chǎng)、大棚等中大型企業(yè)。系統(tǒng)可擴(kuò)展為對(duì)基站的搭建，實(shí)現(xiàn)更廣范圍、更遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)，大幅度地節(jié)省了開支。該設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用前景。