基于LoRa技術(shù)的檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李高峰 胡國強 楊彥榮

摘 ?要： 檔案存儲環(huán)境對檔案“壽命”的長短起決定性的作用，為加強對檔案存儲環(huán)境監(jiān)測，進一步做好檔案存儲工作，結(jié)合LoRa無線通信技術(shù)的快速演進，設(shè)計一種基于LoRa技術(shù)的檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LoRa網(wǎng)絡(luò)將采集的溫度、濕度、有害氣體濃度數(shù)據(jù)上傳到上位機軟件，實現(xiàn)檔案存儲環(huán)境因子溫度、濕度、有害氣體濃度的實時監(jiān)測。文中詳細描述該系統(tǒng)硬件框架和軟件框架的設(shè)計方法和實現(xiàn)原理，最后基于PyQt開發(fā)檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準確獲取檔案存儲環(huán)境數(shù)據(jù)，可滿足檔案存儲環(huán)境監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞： 檔案存儲; 環(huán)境監(jiān)測; 系統(tǒng)設(shè)計; LoRa技術(shù); 軟件開發(fā); 無線通信

中圖分類號： TN931+.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0078?05

Abstract： The archival storage environment plays a decisive role in the "life" of the archive. An archival storage environment monitoring system based on LoRa technology is designed in combination of the rapid evolution of LoRa wireless communication technology， so as to strengthen the monitoring of archival storage environment and further improve the work of archival storage. In this system， LoRa network is used to upload the collected data of temperature， humidity and harmful gas concentration to the upper computer software， so that the real?time monitoring of temperature， humidity and harmful gas concentration of environmental factors in archival storage are realized. The design method and implementation principle of the hardware and software framework of the system are described in detail. The upper computer software of the archival storage environment monitoring system is developed based on PyQt. The testing results show that the system can obtain the data of the archival storage environment accurately， and meet the needs of monitoring the archival storage environment.

Keywords： archival storage; environment monitoring; system design; LoRa technology; soflware development; wireless communication

0 ?引 ?言

檔案存儲環(huán)境因子是指影響檔案耐久性的各種自然因素，其主要包括溫度、濕度、污染物等。相關(guān)研究認為檔案存儲溫度應(yīng)在8～25 ℃之間，超過25 ℃，會加速紙質(zhì)檔案中纖維素，特別是非纖維素成分老化;檔案存儲濕度應(yīng)在50%～65%之間，大于65%在一定條件下會加速紙張中纖維素的水解和降解，不利于抑制微生物和害蟲的生長繁殖;酸性有害氣體和氧化性有害氣體同樣會給檔案帶來危害[1]。為了確保檔案存儲環(huán)境保持在合理科學的溫濕度范圍，防止污染物對檔案造成危害，應(yīng)對檔案存儲環(huán)境進行實時監(jiān)測?，F(xiàn)階段大多數(shù)檔案館的存儲環(huán)境監(jiān)測仍依賴于人工，監(jiān)測的數(shù)據(jù)精確度不高，連續(xù)性不強，難以實現(xiàn)長期監(jiān)測。因此，建立自動化、智能化的檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)迫在眉睫。

針對檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，國內(nèi)已有學者展開了研究，蔡利民采用有線以太網(wǎng)實現(xiàn)了基于Web的檔案庫房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[2];賈華峰等采用RS 485總線構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了檔案庫房溫濕度監(jiān)測報警系統(tǒng)[3];林光源采用WiFi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了基于B/S模式的遠程檔案庫房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[4]。以上研究中有線以太網(wǎng)和RS 485總線方式施工復(fù)雜、維修難、擴展性差，WiFi技術(shù)沒有了物理線路的局限，但也存在節(jié)點數(shù)目受限、通信范圍小、成本高的缺陷。

LoRa是Semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標準。該技術(shù)利用433 MHz/470 MHz/868 MHz/915 MHz 頻段實現(xiàn)了超低功耗、超遠距離傳輸，有效傳輸距離可達數(shù)千米以上[5]。LoRa還可以將數(shù)萬個分布在不同地域的傳感器組織成一個無線局域網(wǎng)，具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、覆蓋范圍大等特點[6]。 鑒于LoRa技術(shù)的優(yōu)勢及解決現(xiàn)有研究存在的問題的需要，本文基于LoRa技術(shù)設(shè)計一種低成本、低功耗的檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度、濕度、有害氣體濃度等檔案存儲環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集和遠程查詢。

1 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所研究的檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由溫濕度傳感器、煙霧傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、繼電器模塊、主控制器、LoRa網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控主機組成，具體設(shè)計如圖1所示。

系統(tǒng)通過溫濕度傳感器可以采集檔案存儲環(huán)境溫濕度并向主控制器發(fā)送數(shù)字信號。當檔案存儲環(huán)境中出現(xiàn)有害氣體時，煙霧傳感器可以輸出對應(yīng)的信號，此信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后可發(fā)送給主控制器。主控制器接收到溫濕度傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送的數(shù)字信號后，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控主機。監(jiān)控主機接收到信號后經(jīng)過處理可顯示檔案存儲環(huán)境數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)溫濕度異常，可在系統(tǒng)界面上給出報警，并下發(fā)控制指令給主控制器上的繼電器模塊調(diào)用空調(diào)和除濕器進行處理;一旦發(fā)現(xiàn)有害氣體超標，可通過上位機提醒管理人員進行人工干預(yù)，從而保障檔案存儲環(huán)境正常。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

主要對構(gòu)成檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主控制模塊（由主控制器、電源模塊和繼電器模塊組成）、LoRa網(wǎng)絡(luò)、傳感器模塊（由溫濕度傳感器、煙霧傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊）進行選型和設(shè)計。

2.1 ?主控制器模塊

檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)使用的控制器為Raspberry Pi Zero。此控制器是由英國的慈善機構(gòu)Raspberry Pi Foundation所開發(fā)一款A(yù)RM架構(gòu)的控制器開發(fā)板，其硬件配置如下：1 GHz單核CPU;512 MB RAM;Mini HDMI接口;Micro USB OTG接口;Micro USB電源供電;40個可用引腳;Composite video and reset headers;CSI camera connector （v1.3 only）。軟件上，由于其支持運行如Raspbian等ARM架構(gòu)的Linux操作系統(tǒng)，既可以方便靈活地實現(xiàn)傳統(tǒng)裸機單片機所不能實現(xiàn)的任務(wù)，又支持C語言編程，以滿足硬件底層驅(qū)動的需求，如實現(xiàn)傳感器的驅(qū)動。其內(nèi)置Python解釋器，可使用Python語言實現(xiàn)上層應(yīng)用，如實現(xiàn)多任務(wù)處理。隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，Raspberry Pi Zero因其體積小、價格低廉、功能強大、運算速度快且易擴展等優(yōu)點，從眾多單片機中脫穎而出，被越來越多地運用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。繼電器模塊選用光耦隔離、抗干擾性好、單刀雙擲的2路繼電器。電源系統(tǒng)選用適用于Raspberry Pi Zero的鋰電池電源模塊。

2.2 ?LoRa網(wǎng)絡(luò)

LoRa網(wǎng)絡(luò)由兩個正點原子設(shè)計的LoRa無線通信模塊組成，該模塊使用SX1278芯片，工作頻率在410～441 MHz;接口電氣標準為TTL;工作溫度為-40～85 ℃;工作電壓在DC 3.3～5 V之間;工作電流在9 μA～118 mA之間。檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在兩處使用到了該模塊：一處是在Raspberry Pi Zero控制器端;另一處是運行有上位機軟件的監(jiān)控主機?？刂破髋c監(jiān)控主機通過LoRa無線通信模塊進行通信。由于電腦硬件的更新，目前電腦很難找到RS 232串口通信接口?？紤]到兼容性以及實用性，本設(shè)計在監(jiān)控主機增加USB轉(zhuǎn)TTL模塊，即插即用，方便快捷。

2.3 ?傳感器模塊

溫濕度傳感器選用DHT22空氣溫濕度傳感器。DHT22是一個四針腳模塊，包含VCC，DATA，NC，GND四個引腳，實際使用中只會用到VCC，GND，DATA，NC引腳為空腳，VCC電壓范圍是3～5 V。DHT22測量溫濕度的原理是通過內(nèi)置電容式濕度傳感器和熱敏電阻來測量周圍的空氣，取得溫度和濕度值后由 DATA引腳向主控板發(fā)送一個數(shù)字信號。

煙霧傳感器選用MQ?2煙霧傳感器，MQ?2煙霧傳感器探測范圍極其廣泛，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等探測[7]，測量范圍為300～10 000 ppm，具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性，需要注意的是在使用之前必須加熱一段時間，否則其輸出的電阻和電壓不準確。由于Raspberry Pi Zero沒有板載數(shù)模轉(zhuǎn)換器，而煙霧傳感器輸出為模擬量，故在采集煙霧傳感器輸出信號時需要借助其他模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。本設(shè)計使用PCF8951數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，可以將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過I2C協(xié)議輸出。

將上述主控制器模塊、傳感器模塊、兩個LoRa無線通信模塊、USB轉(zhuǎn)TTL模塊整合在一起組成整個硬件系統(tǒng)。其核心部分由主控制器模塊、傳感器模塊、一個LoRa無線通信模塊組成，電路原理圖如圖2所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ?傳感器驅(qū)動邏輯設(shè)計

檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器驅(qū)動和上層通信均采用Python語言設(shè)計。對于底層驅(qū)動來說，Python語言并不適合，并且存在一定的困難性。如果采用C語言與Python語言混合編程，也會增加開發(fā)難度。綜合考慮后，采用純Python編程。其工作原理如圖3所示。其中箭頭指向表示數(shù)據(jù)流動方向。

在初始階段，Raspberry Pi Zero控制器需要對閾值設(shè)定配置文件進行處理，若沒有配置文件，則新建配置文件，若有配置文件，則讀取配置文件信息，以便后用;控制器采用單總線通信方式直接讀取DHT22傳感器溫濕度數(shù)值;控制器通過I2C總線控制PCF8951模塊，通過模擬輸入口采集MQ?2煙霧傳感器模擬量輸出;在完成上述操作后，控制器每采集一次傳感器數(shù)據(jù)都會與設(shè)定閾值進行比較，當溫度不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)時，控制繼電器1打開，繼電器1指示燈亮，可調(diào)用空調(diào)進行升降溫。當濕度值超過設(shè)定的閾值時，控制繼電器2打開，繼電器2指示燈長亮，可調(diào)用除濕器進行除濕。

3.2 ?通信設(shè)計

采用主從設(shè)計模式進行通信，上位機軟件為主設(shè)備，控制器為從設(shè)備，定義了3種指令：讀閾值指令、寫閾值指令以及讀傳感器指令。具體通信方式如圖4所示。

上位機與下位機通信編碼方式為十六進制?？刂破鹘邮盏矫糠N指令后，都會進行不同的動作。其中每個指令的第1個字節(jié)為指令標識，方便控制器判斷指令類型?？刂破鹘邮盏较鄳?yīng)的指令后會根據(jù)不同指令響應(yīng)上位機發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，相應(yīng)數(shù)據(jù)第1個字節(jié)同樣為指令標識。這里使用0xzz代表不定值。讀數(shù)據(jù)指令接收的數(shù)據(jù)中，規(guī)定第2，3個字節(jié)表示溫度整數(shù)、小數(shù)部分，第4，5個字節(jié)表示濕度整數(shù)、小數(shù)部分，第6個字節(jié)表示煙霧含量等級。這里的煙霧含量等級表示煙霧傳感器的數(shù)據(jù)采集結(jié)果經(jīng)過8位A/D采樣值得到的結(jié)果。對于氣體而言，需要將其變換到氣體含量，查閱資料，使用根據(jù)8位A/D采樣值結(jié)果，再乘以39.2，可以得到具體氣體含量估計值。在寫閾值指令和讀閾值指令的接收數(shù)據(jù)中，規(guī)定第2，3個字節(jié)表示溫度上、下限整數(shù)部分，第4，5個字節(jié)表示濕度上、下限整數(shù)部分，第6個字節(jié)表示煙霧閾值編碼值。對于煙霧閾值而言，由于用戶是以ppm為單位輸入的氣體含量閾值X數(shù)值較大，在數(shù)據(jù)編碼方面，在保證系統(tǒng)統(tǒng)一編碼字節(jié)長度為6的情況下，需要將氣體閾值設(shè)定值換算到氣體含量等級，即X/39.2，然后取整，以方便編碼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)誤差較大。在保證精度的情況下，為方便編碼，使用10×（[X39.2]）計算方式，對最后計算結(jié)果取整，以達到減小誤差的目的。上述結(jié)果進行十六進制編碼即為煙霧閾值編碼值。

上述通信數(shù)據(jù)采用獨立LoRa無線通信通道通過LoRa無線通信模塊進行通信。由于采用自定義指令、自定義數(shù)據(jù)編碼傳輸方式，增加了容錯能力，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸可靠，不會受到同樣工作方式下其他通信設(shè)備串頻的信號干擾。

3.3 ?上位機程序設(shè)計

Qt是一個1991年由Qt Company開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架[8]。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊的代碼生成擴展以及一些宏，Qt很容易擴展，并且允許真正地組件編程[9]。Qt庫是目前最強大的庫之一。PyQt是由Phil Thompson 開發(fā)的一個創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序的工具包。它是Python編程語言和Qt庫的成功融合[10]，并具有許多C++不具有的特性。

本次設(shè)計中上位機部分使用PyQt5。使用的主要組件有QWidget，QLcdNumber QLabel，QDoubleSpinBox，QSpinBox，QPushButton，QMessageBox。其中QLcdNumber用于構(gòu)建LCD模擬顯示屏，以增加美觀度。QLabel組件主要用于顯示文本，這里使用該組件對QLcdNumber組件進行說明。由于本設(shè)計需要顯示溫度、濕度以及有害氣體含量三種傳感器數(shù)據(jù)，故分別使用了三個QLcdNumber和QLabel組件以對應(yīng)三種數(shù)據(jù)的展示。QDoubleSpinBox，QSpinBox組件用于用戶閾值設(shè)定值的輸入。其兩者的區(qū)別在于前者具有浮點輸入接收能力。QPushButton用于構(gòu)建各種按鈕，本設(shè)計中使用該組件生成“保存設(shè)定值”“獲取設(shè)定值”和“空調(diào)控制”“除濕器控制”兩個按鈕。QMessageBox則用于彈窗提醒。QWidget是一個容器組件，用于將上述組件組合到一起。

上位機根據(jù)實時監(jiān)測，設(shè)定溫濕度上下限和煙霧上限，控制器根據(jù)溫濕度閾值控制兩個繼電器單元分別調(diào)用空調(diào)和除濕器的功能進行設(shè)計，并采用周期查詢方式實時更新數(shù)據(jù)?？紤]到實際情況，設(shè)置周期為20 s，即20 s內(nèi)可以有效地檢查到檔案存儲環(huán)境變化。

上位機將接收到的數(shù)據(jù)在LCD模擬顯示屏上進行顯示，并配有標題作為說明。若超過閾值上限，則對應(yīng)標題欄信息出現(xiàn)超出上限警告提示，并發(fā)出聲音告警;若低于閾值下限，則對應(yīng)標題欄信息出現(xiàn)低于下限警告提示，并發(fā)出聲音告警;正常范圍內(nèi)，標題欄顯示其單位和傳感器數(shù)據(jù)類型?；趯嶋H情況考慮，只對煙霧上限進行設(shè)定，原理及效果同上。

4 ?系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)在西北農(nóng)林科技大學檔案館進行測試，先把主設(shè)備放置在檔案架，讓其通過USB接口進行供電，加電后程序開始啟動。然后把帶USB轉(zhuǎn)TTL模塊的LoRa無線通信模塊插入到距離主設(shè)備10 m的監(jiān)控主機并安裝USB轉(zhuǎn)TTL模塊的驅(qū)動程序。在監(jiān)控主機的系統(tǒng)界面上雙擊打開軟件，軟件會自動識別設(shè)備并加載設(shè)備，如加載成功，會有圖5所示彈窗提示。點擊確定，進入主頁面。如未插入設(shè)備，軟件會有圖6所示警告。

此時需要插上設(shè)備并重新打開軟件，否則會自動退出。由于Raspberry Pi Zero控制器開機需要時間加載程序以及MQ?2煙霧傳感器預(yù)熱，在預(yù)熱階段，傳感器數(shù)值可靠性差?；诖丝紤]，程序在啟動時預(yù)留40 s左右的時間，以便控制器進行初始化，以此來達到提高通信質(zhì)量的目的。

進入主頁面后，將溫度設(shè)定在5～20 ℃，濕度設(shè)定在50%～60%之間，有害氣體濃度上限設(shè)定在400 ppm，然后點擊“保存設(shè)定值”按鈕。在保存設(shè)定值操作成功后，系統(tǒng)會對控制器配置文件保存的閾值與本地設(shè)定閾值進行比較，如比對成功，上位機界面會出現(xiàn)保存閾值成功的提示;如比對不成功，則系統(tǒng)不會有響應(yīng)。閾值保存成功后，系統(tǒng)可實時獲取檔案存儲環(huán)境數(shù)據(jù)，具體如圖7所示。

此時溫度超過設(shè)定的上限，對應(yīng)的溫度標題欄出現(xiàn)警告信息，提示“溫度高于上限”;濕度低于設(shè)定下限，對應(yīng)的濕度標題欄出現(xiàn)警告信息，提示“溫度低于下限”;有害氣體含量保持在正常范圍內(nèi)，對應(yīng)的標題欄顯示數(shù)值物理意義和對應(yīng)單位。

5 ?結(jié) ?論

本文基于LoRa技術(shù)設(shè)計并開發(fā)一套檔案存儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Master?Slave設(shè)計思想，詳細說明了軟硬件實現(xiàn)原理、功能及環(huán)境參數(shù)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)軟硬件工作正常，上位機監(jiān)測軟件能夠接收到檔案存儲環(huán)境數(shù)據(jù)，一旦監(jiān)測到環(huán)境異常則通過上位機監(jiān)測軟件告警并啟動相應(yīng)設(shè)備進行干預(yù)。該系統(tǒng)能夠持續(xù)獲取檔案存儲環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，可擴展性強，能滿足檔案存儲環(huán)境實時監(jiān)測需求。

注：本文通訊作者為胡國強。

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