基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的鄉(xiāng)村環(huán)境監(jiān)控可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱先遠(yuǎn) 孫握瑜

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系， 安徽 蕪湖 241002)

隨著我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)工作的不斷推進(jìn)，農(nóng)村環(huán)境監(jiān)管工作也逐漸得到重視。目前，農(nóng)村環(huán)境監(jiān)管工作多是由人工完成，也有部分發(fā)達(dá)地區(qū)引入了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輔助管理。這些遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)大致分為兩類：(1) 基于4G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)煙霧或紅外人體等傳感模塊與GPRS模塊硬件的集成化[1-2]，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼與發(fā)送，當(dāng)傳感器數(shù)量較大時(shí)成本也較高；(2) 基于ZigBee技術(shù)通過終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[3-6]，當(dāng)用于監(jiān)控范圍廣、密度低的鄉(xiāng)村環(huán)境時(shí)會(huì)存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、傳輸干擾大等問題。為了彌補(bǔ)以上不足，我們結(jié)合LoRa網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離、低功耗、高性能、支持大規(guī)模組網(wǎng)特性[7]，研究設(shè)計(jì)一種基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的鄉(xiāng)村環(huán)境監(jiān)控可視化平臺(tái)。

1 基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的鄉(xiāng)村環(huán)境可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的系統(tǒng)功能模塊包括道路視頻監(jiān)控、下水道井蓋監(jiān)控、垃圾桶監(jiān)控和水質(zhì)監(jiān)控等模塊；需要連接的傳感器有反映空氣質(zhì)量情況的PM2.5傳感器、溫濕度傳感器，反映水質(zhì)情況的電導(dǎo)率傳感器、pH值傳感器、濁度傳感器，用于垃圾監(jiān)控儲(chǔ)存監(jiān)控的超聲波傳感器，用于下水道井蓋監(jiān)控的甲烷傳感器、三軸傳感器、超聲波傳感器等等。

系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖1所示。每個(gè)檢測(cè)裝置均包含相關(guān)傳感器模塊和LoRa節(jié)點(diǎn)模塊，魚塘中所有檢測(cè)裝置采集的數(shù)據(jù)均通過LoRa節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)遵循MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)的平臺(tái)。系統(tǒng)平臺(tái)為整個(gè)監(jiān)控可視化平臺(tái)的核心，包含數(shù)據(jù)庫(kù)、MQTT服務(wù)端和一個(gè)大數(shù)據(jù)API。其中，MQTT服務(wù)端和網(wǎng)關(guān)設(shè)備都建立一個(gè)MQTT連接，網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以是LoRa網(wǎng)關(guān)，或是NB-IoT網(wǎng)關(guān)、WiFi網(wǎng)關(guān)。通過建立相應(yīng)的MQTT連接實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)到的數(shù)據(jù)到平臺(tái)，平臺(tái)也可以通過這個(gè)MQTT連接實(shí)時(shí)下發(fā)一些控制指令給警報(bào)設(shè)備。系統(tǒng)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)API提供JSON數(shù)據(jù)格式的接口，可以供客戶端編程調(diào)用。系統(tǒng)PC客戶端目前包含環(huán)境總覽、道路監(jiān)控、智能垃圾桶、智能井蓋和水質(zhì)監(jiān)控等5個(gè)模塊。通過環(huán)境總覽模塊，用戶可以查看反映鄉(xiāng)村環(huán)境的噪音、 溫度、濕度、 PM2.5等數(shù)據(jù)，也可以查看各個(gè)垃圾桶的空滿狀態(tài)。通過道路監(jiān)控模塊，可以獲取主要路段采集的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻和歷史視頻，也可以遠(yuǎn)程控制該路段的智能路燈。通過水質(zhì)監(jiān)控模塊，可以獲取湖泊、水庫(kù)水域的水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)平臺(tái)與網(wǎng)關(guān)間通訊協(xié)議

系統(tǒng)連接多個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備可以安裝多個(gè)傳感器。系統(tǒng)中每增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，就需要為其分配唯一標(biāo)識(shí)(device)、設(shè)備傳輸密鑰(key)等信息。平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用MQTT version 3.1.1協(xié)議進(jìn)行通訊。

圖1 系統(tǒng)層次架構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接流程如圖2所示。設(shè)備到平臺(tái)之間建立連接時(shí)，設(shè)備向平臺(tái)發(fā)起的第一個(gè)鏈接為Connect請(qǐng)求，Connect請(qǐng)求中攜帶了握手信息。平臺(tái)不允許匿名登陸，協(xié)議包VariableHeader中部分用戶名、密碼標(biāo)識(shí)位在連接時(shí)必須設(shè)置為1；否則，提示協(xié)議錯(cuò)誤，將會(huì)斷開連接。平臺(tái)在接到握手信息后首先要進(jìn)行鑒權(quán)驗(yàn)證，確定是否通過。當(dāng)握手信息通過后，如果CleanSession=0, 平臺(tái)將會(huì)加載上一次保存的一些設(shè)備信息(如果有保存)，如客戶端訂閱的topic列表，以及還未完成確認(rèn)的Qos1、Qos2級(jí)別的publish消息；如果CleanSession=1, 平臺(tái)將不加載這些信息(不管上次有沒保存)。最后，返回握手結(jié)果ConnAck。

LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備與平臺(tái)建立連接后，便可以完成傳感數(shù)據(jù)的上報(bào)和上傳工作，進(jìn)行消息發(fā)布。設(shè)備數(shù)據(jù)上報(bào)有以下3種方式：

(1) Qos0(最多發(fā)送一次)，服務(wù)端不發(fā)送任何響應(yīng)。

(2) Qos1(至少發(fā)送一次)，服務(wù)端給客戶端回復(fù)相應(yīng)的PubAck。

(3) Qos3(只發(fā)送一次)，服務(wù)端給客戶端回復(fù)相應(yīng)的PubRec，客戶端再回復(fù)服務(wù)端PubRel報(bào)文；如超時(shí)不回復(fù)，則平臺(tái)會(huì)斷開相應(yīng)連接；反之，服務(wù)端最后給客戶端回復(fù)PubComp報(bào)文。

圖2 LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接流程

按圖3所示Qos0(Client→Server)方式數(shù)據(jù)上報(bào)流程，設(shè)備采用Publish Packet格式發(fā)布Qos0消息，平臺(tái)收到上報(bào)傳感數(shù)據(jù)后保存起來。

圖3 Qos0(Client→Server)方式數(shù)據(jù)上報(bào)流程

按圖4所示Qos1(Client→Server) 方式數(shù)據(jù)上報(bào)流程，設(shè)備使用Publish Packet格式發(fā)布Qos1消息，平臺(tái)收到上報(bào)傳感數(shù)據(jù)后保存起來，給設(shè)備回復(fù)相應(yīng)的PubAck。

按圖5所示Qos2(Client→Server) 方式數(shù)據(jù)上報(bào)流程，設(shè)備使用Publish Packet格式發(fā)布Qos2消息；平臺(tái)收到上報(bào)傳感數(shù)據(jù)后保存起來，并給設(shè)備回復(fù)相應(yīng)的PubRec報(bào)文；設(shè)備需回復(fù)平臺(tái)PubRel報(bào)文，如超時(shí)不回復(fù)，則平臺(tái)會(huì)斷開相應(yīng)連接，并給設(shè)備回復(fù)PubComp報(bào)文。

圖4 Qos1(Client→Server) 方式數(shù)據(jù)上報(bào)流程

圖5 Qos2(Client→Server) 方式數(shù)據(jù)上報(bào)流程

平臺(tái)下發(fā)命令給執(zhí)行器設(shè)備(增氧設(shè)備、水泵設(shè)備、閘口設(shè)備和警報(bào)設(shè)備等)時(shí)，數(shù)據(jù)流程采用Qos0(Server→Client)方式，平臺(tái)采用Publish Packet格式發(fā)布topic為sensorcmdreq的Qos0消息。設(shè)備收到消息后，將其作為控制執(zhí)行器的指令來處理。

為了保證數(shù)據(jù)下載和命令發(fā)布接口的安全性及保密性，在API調(diào)用中加入了MD5 Token驗(yàn)證功能。客戶端應(yīng)用程序在執(zhí)行初始階段時(shí)會(huì)利用自己的合法用戶名、密碼從平臺(tái)換取一個(gè)MD5 Token值，在后期階段客戶端應(yīng)用程序在每次調(diào)用API請(qǐng)求時(shí)都攜帶并提交這個(gè)Token值，平臺(tái)在收到這個(gè)Token值時(shí)會(huì)將其與歷史值進(jìn)行比較，以確認(rèn)此次API調(diào)用的合法性。設(shè)備接入平臺(tái)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳矸菡J(rèn)證MD5 Token值具有時(shí)效性限制，超過時(shí)間戳范圍即自動(dòng)失效。

3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

為了檢驗(yàn)本次設(shè)計(jì)的鄉(xiāng)村環(huán)境監(jiān)控可視化平臺(tái)的有效性，在我校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。將系統(tǒng)平臺(tái)部署在Intel(R) Core(TM)2 Quad CPU、8G內(nèi)存、Windows Server2008R2(64位)、Sql server2008R2的環(huán)境中，PC客戶端程序安裝在Win10的.net framework4.5環(huán)境中。系統(tǒng)相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)、繼電器節(jié)點(diǎn)及LoRa網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在實(shí)訓(xùn)基地的部署網(wǎng)絡(luò)見圖6。

如圖7所示，在系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)客戶端主界面可以總覽實(shí)時(shí)環(huán)境。點(diǎn)擊主界面中“環(huán)境導(dǎo)覽”，可以總覽安裝在各處的智能垃圾桶和下水道井蓋使用情況，獲知當(dāng)前空氣質(zhì)量監(jiān)控的PM2.5、溫度、濕度和噪音等數(shù)據(jù)。在主界面中可以通過左側(cè)的“環(huán)境導(dǎo)覽”“道路監(jiān)控”“智能垃圾筒”“智能井蓋”等5個(gè)導(dǎo)航按鈕進(jìn)入相應(yīng)模塊。通過“環(huán)境導(dǎo)覽”模塊，可以對(duì)魚塘各個(gè)區(qū)域的監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行增刪、檢查和管理，選擇某1路、4路、16路攝像頭等模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過“道路監(jiān)控”的子功能模塊，可以新增監(jiān)控?cái)z像頭，或者查詢某個(gè)攝像頭在某歷史時(shí)間段中的視頻資料。通過智能垃圾桶功能模塊，可周期性監(jiān)控各個(gè)區(qū)域部署的智能垃圾桶內(nèi)垃圾高度(見圖8)。智能垃圾桶內(nèi)垃圾高度等于桶高減去超聲波測(cè)距長(zhǎng)度，其中超聲波測(cè)距上傳周期設(shè)定為8：00 — 22：00時(shí)段內(nèi)，每隔30 min上傳一次，其余時(shí)段不上傳，以減少平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的并發(fā)量。當(dāng)智能垃圾桶內(nèi)垃圾高度超過設(shè)定的閾值時(shí)，給出警報(bào)彈框，并推送一條提醒短信給相應(yīng)區(qū)域的衛(wèi)生員。通過系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)控功能模塊，可以實(shí)時(shí)顯示各片水域的pH、濁度、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)。 pH、濁度、電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的LoRa 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，LoRa節(jié)點(diǎn)將該數(shù)據(jù)傳輸至 LoRa 網(wǎng)關(guān)， LoRa 網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)，系統(tǒng)客戶端從平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。

圖7 平臺(tái)PC客戶端監(jiān)控界面

圖8 平臺(tái)智能垃圾桶監(jiān)控界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的基于LoRa的鄉(xiāng)村環(huán)境監(jiān)控可視化，在系統(tǒng)客戶端集成了環(huán)境導(dǎo)覽、道路監(jiān)控、智能垃圾桶監(jiān)控和水質(zhì)監(jiān)控等功能模塊。與當(dāng)前一些環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控可視化平臺(tái)相比較，本平臺(tái)采用LoRa網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，檢測(cè)傳感器終端功耗低、網(wǎng)絡(luò)連接廣、穩(wěn)定性好；同時(shí)，檢測(cè)傳感設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和采集數(shù)據(jù)中均實(shí)現(xiàn)了管理云端化。對(duì)于本平臺(tái)系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控的穩(wěn)定性，以防在云端化環(huán)境中被非法訪問和利用。