基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張震 蓋昊宇 朱煉

【摘要】構(gòu)建基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器組網(wǎng)模型，采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署，結(jié)合隨機(jī)路由探測(cè)和最短路徑尋優(yōu)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制和路由協(xié)議設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)處理，通過(guò)濾波檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和濾波控制，提高監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在嵌入式的集成DSP信息處理器中實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的硬件集成開發(fā)設(shè)計(jì)。仿真測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，準(zhǔn)確度較高，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力較強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】LoRa技術(shù);大規(guī)模集成電路;工業(yè)潔凈室;沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);濾波控制

〔中圖分類號(hào)〕TP277 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕1674-3229（2021）04-0065-05

0 引言

隨著高精密度集成電路技術(shù)的發(fā)展，對(duì)集成電路制作環(huán)境提出了更高的要求。在高精密集成電路設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，要求環(huán)境保持較高的清潔度，需要對(duì)潔凈室環(huán)境進(jìn)行細(xì)菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提高大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室的降菌能力。對(duì)沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法主要有基于動(dòng)態(tài)傳感節(jié)點(diǎn)定位的監(jiān)測(cè)方法、基于CTP協(xié)議控制的沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法、基于隨機(jī)WSN節(jié)點(diǎn)部署的監(jiān)測(cè)方法等[1-3]，傳統(tǒng)方法主要通過(guò)構(gòu)建大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的WSN或者物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化的路由探測(cè)控制方法，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。但傳統(tǒng)方法進(jìn)行大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性不高，動(dòng)態(tài)監(jiān)控性能不好。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)造和功能結(jié)構(gòu)分析

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)造

系統(tǒng)主要有嵌入式PMOS控制和WSN動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成，采用Siemens公司的MC35i作為工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，分析大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸過(guò)程，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的ZigBee組網(wǎng)控制，在LabWin-down/CVI平臺(tái)上構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議平臺(tái)[4]，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

結(jié)合4G、5G和無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通過(guò)可編程控制的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的編程控制[5]，采用PXA255網(wǎng)關(guān)和MillennialNet構(gòu)建工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署模型。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊分析

采用背板時(shí)鐘控制方法，實(shí)現(xiàn)沉降菌信息采集過(guò)程中的時(shí)鐘切換，通過(guò)外部觸發(fā)總線控制，建立信息傳輸?shù)腜XI總線協(xié)議，設(shè)計(jì)模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)制進(jìn)行沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的信息處理，通過(guò)動(dòng)態(tài)增益控制的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的輸出增益控制的AD信息融合調(diào)度[6]，構(gòu)建大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的HP E1562E數(shù)據(jù)記錄儀，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3所示。

在系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成框圖的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感信息采集模塊、AD信息數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制模塊、集成信息融合模塊、人機(jī)接口控制模塊以及集成電路控制模塊等組成模塊，完成對(duì)工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模塊分析[7]。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署

采用節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的WSN混合匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)特征序列，其中x（n）為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)輸出有限長(zhǎng)的離散無(wú)序列，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)傳輸控制模型為：

式中，0≤k≤N-1，采用空間參數(shù)重組方法，考慮節(jié)點(diǎn)能量、距離、能量效率的相關(guān)性因素，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的離散特征分布序列，采用無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)輸出的信道多徑擴(kuò)展[8]，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)空間部署的特征分布序列為：

根據(jù)一級(jí)節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸輸信道中，得到實(shí)際場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)分布最短距離為d，采用頻譜相關(guān)性檢測(cè)方法，數(shù)據(jù)通過(guò)多跳的方式實(shí)現(xiàn)信息融合，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌采樣點(diǎn)分布為j=0，1，…，M，采用線性調(diào)頻方法計(jì)算大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌控制的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)特征量Ej，并在整數(shù)N0，N1級(jí)信道中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)的可靠性傳遞函數(shù)構(gòu)建。大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)輸出的碼元序列為v0（n），v1（n），相應(yīng)的頻譜分量為：

用H0（k）、H1（k）分別表示大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的RFID標(biāo)簽序列，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)主的混合匯聚節(jié)點(diǎn)的均衡調(diào)度模型，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)空間規(guī)劃系統(tǒng)函數(shù)為：

對(duì)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)結(jié)構(gòu)重組，提取大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信道參數(shù)，得到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)部署函數(shù)為：

由上述算法得到工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署模型，完成對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署設(shè)計(jì)[9]。

2.2 工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的路由算法優(yōu)化

采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署，采用隨機(jī)路由探測(cè)和最短路徑尋優(yōu)方法，得到工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的信道擴(kuò)頻帶寬輸出優(yōu)化解：

式中，b表示動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)頻率，采用頻譜特征分析，構(gòu)建大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的統(tǒng)計(jì)特征量，通過(guò)模糊參數(shù)識(shí)別，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的輸出序列為：

式中，x（m）表示工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模糊度函數(shù)。綜上分析，構(gòu)建路由協(xié)議，采用LoRa協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的能量參數(shù)估計(jì)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議控制函數(shù)為：

式中，m>0，β是各簇節(jié)點(diǎn)到簇頭的平均距離，根據(jù)最小距離對(duì)應(yīng)的二級(jí)節(jié)點(diǎn)分離結(jié)果，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)的最優(yōu)分布系數(shù)為：

式中，dj（k）表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸融合度，根據(jù)上述分析，采用隨機(jī)路由探測(cè)和最短路徑尋優(yōu)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制和路由協(xié)議設(shè)計(jì)[10]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)DSP集成控制芯片實(shí)現(xiàn)程序控制和集成信息處理。采用5階開關(guān)電容低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的控制，通過(guò)低電平復(fù)位電路，構(gòu)建動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)位控制器，采用集成的PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程控放大[11]，沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源電路如圖4所示。

以UARTO作為大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的RS232接口，采用DAVICOM公司的DM9000作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序加載控制器，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口電路，設(shè)定動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作電壓為240V，AD信息采樣的電流為14mA，基于CD-MA模塊接人沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)[12]，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成電路的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1200，數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)度為1024，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.35，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，將本文方法與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[6]的方法進(jìn)行對(duì)比，得到大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，如圖5所示。

分析圖5可知，本文方法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制能力較好，準(zhǔn)確度較高。測(cè)試大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)性，得到測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，本文方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于LoRa的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)可編程控制的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的編程控制，建立大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌信息傳輸?shù)腜XI總線協(xié)議，采用節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用LoRa協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的能量參數(shù)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試表明，本文設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路工業(yè)潔凈室沉降菌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度較好，控制能力較強(qiáng)。

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[收稿日期]2021-02-10

[基金項(xiàng)目]安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于LoRa的電子行業(yè)工業(yè)潔凈室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究”（KJ2020A1096）;安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的SMT車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究”（KJ2019A1167）;安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“安徽工商職業(yè)學(xué)院安徽百視達(dá)科技有限公司創(chuàng)新實(shí)踐基地”（2020sjjd016）

[作者簡(jiǎn)介]張震（1975-），男，碩士，安徽工商職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。