基于LoRa的中小企業(yè)工廠安防監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

萬樹德，徐 儒

（長江師范學(xué)院 大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，重慶 408100）

0 引 言

改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)取得了卓越成就，制造業(yè)和生產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：截至2019年底，我國工業(yè)化中小企業(yè)單位約36萬家，企業(yè)的工廠、倉庫竣工面積每年以超3億萬平方米的速度快速增長。與此同時，發(fā)生在工廠、倉庫的安防事故也在不斷攀升，給工廠安防帶來了巨大挑戰(zhàn)。

1 研究背景

現(xiàn)階段，市面上應(yīng)用于工廠安防的監(jiān)測系統(tǒng)品牌繁多，性能技術(shù)各異，設(shè)備采用不同的自定義通信協(xié)議，導(dǎo)致設(shè)備互不兼容、整合困難，為用戶帶來了諸多不便。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的興起，為設(shè)計穩(wěn)定、高能、低耗、精準(zhǔn)、使用方便的工廠安防監(jiān)測系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，鑒于此，設(shè)計適用于中小企業(yè)的通信距離長、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定的安防監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

2 需求分析

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，企業(yè)的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致中小企業(yè)的覆蓋面越來較大，而倉庫布局分散，給安防監(jiān)測工作帶來不便。傳統(tǒng)安防監(jiān)控存在的不足表現(xiàn)如下。

（1）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差：傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee、藍(lán)牙、紅外等通信技術(shù)，抗干擾能力較差，容易受線路、建筑、天氣等因素的干擾，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）設(shè)計運(yùn)維成本高：傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計初期并未考慮企業(yè)未來的發(fā)展趨勢，僅根據(jù)現(xiàn)有規(guī)模選擇技術(shù)方案。一旦需要擴(kuò)展規(guī)?；蚬δ埽瑒荼匦枰度氪罅坑布ㄐ旁O(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，導(dǎo)致硬件堆積、價格昂貴、維護(hù)成本高、性能不佳，不僅為運(yùn)維和管理帶來巨大壓力，更無法滿足企業(yè)高速發(fā)展的個性化需求。

（3）預(yù)警機(jī)制不健全：傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)未運(yùn)用云服務(wù)器、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，僅僅通過初始閾值進(jìn)行預(yù)警判斷，同時系統(tǒng)無法動態(tài)調(diào)整預(yù)警閾值，更無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、智能監(jiān)控及預(yù)警。

（4）實(shí)時數(shù)據(jù)未存儲：傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)由于未采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)，無法實(shí)時存儲采集的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法回訪歷史記錄，更不能通過歷史數(shù)據(jù)為安全分析和決策提供支持。

3 LoRa通信技術(shù)及對比分析

（1）NB-IoT：窄帶物聯(lián)網(wǎng)是一種構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)營過程中較依賴運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，需要支付一定通信費(fèi)用才能使用，當(dāng)用量較大時產(chǎn)生的費(fèi)用較高。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)：作為第五代移動通信技術(shù)，是最新一代蜂窩移動通信，通信費(fèi)用較高，且目前市面上兼容5G的硬軟件設(shè)備設(shè)施較少，因此5G網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)應(yīng)用層面尚未普及。

（3）ZigBee：它是一種基于IEEE 802.15.4協(xié)議的短距離雙向無線通信技術(shù)，但ZigBee通信距離較短，在實(shí)際組網(wǎng)過程中需要添加中繼器、路由器，在實(shí)際設(shè)計使用過程中，還需設(shè)立相對應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器等，組網(wǎng)較為復(fù)雜且信號容易受到干擾，不適合遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目工程。

（4）LoRa：即遠(yuǎn)距離無線電，是一種線性調(diào)頻擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)，傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活，被廣泛應(yīng)用于智慧社區(qū)、智慧農(nóng)業(yè)、智能安防等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

在遠(yuǎn)距離傳輸通信技術(shù)中，雖然5G網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT都可實(shí)現(xiàn)，但成本和后期運(yùn)維投入較高，而LoRa在全球范圍內(nèi)免費(fèi)使用，即使在較為復(fù)雜的城區(qū)傳輸距離也可達(dá)2～5 km，在城郊通信距離可達(dá)15 km，適用于絕大部分中小企業(yè)工廠。另外，ZigBee技術(shù)雖然同樣可進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，但長距離傳輸需要增設(shè)更多子節(jié)點(diǎn)和中繼器等設(shè)備，不但增加了投入成本，更不利于系統(tǒng)維護(hù)，同時ZigBee采用的頻率為2.4 GHz，該頻率在傳輸過程中容易受到WiFi、藍(lán)牙等無線通信技術(shù)的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲或丟失。

鑒于工廠區(qū)域通信距離遠(yuǎn)、樓宇分散、場地復(fù)雜、容易受外界干擾等情況，系統(tǒng)采用LoRa無線通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)通信方式，經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計的數(shù)據(jù)實(shí)時采集方案完全可行。

4 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息通信技術(shù)引入中小企業(yè)工廠監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、大數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析預(yù)警、數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)維護(hù)等功能。系統(tǒng)總體功能框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能框架

系統(tǒng)平臺由下位機(jī)、LoRa通信模塊和上位機(jī)組成。LoRa通信模型如圖2所示。

圖2 LoRa通信模型

數(shù)據(jù)采集：主要對工廠區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括溫濕度、煙霧濃度、火焰探測數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)通信：系統(tǒng)結(jié)合工廠區(qū)域地段復(fù)雜、障礙物多、干擾因素多等情況，將LoRa無線通信技術(shù)與TCP結(jié)合，采用點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多、廣播監(jiān)聽等透傳方式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序與下位機(jī)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。LoRa數(shù)據(jù)通信模型如圖3所示。

圖3 LoRa數(shù)據(jù)通信模型

大數(shù)據(jù)監(jiān)測：主要對終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警功能。系統(tǒng)以間隔2 s的時間周期實(shí)時采集工廠環(huán)境數(shù)據(jù)，上位機(jī)對接收的終端監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理、分析等操作，例如將終端采集的煙霧濃度歸一化為優(yōu)、良、中、差，火焰狀態(tài)為True或False，溫度值是否過高和濕度值是否過大等。大數(shù)據(jù)監(jiān)測功能模塊如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)監(jiān)測功能模塊

數(shù)據(jù)分析預(yù)警：根據(jù)大數(shù)據(jù)監(jiān)測情況啟動相應(yīng)的報警方式。例如，當(dāng)探測到火焰時，上位機(jī)程序播放聲音預(yù)警并啟動云服務(wù)器，向管理員手機(jī)發(fā)送預(yù)警短信，下位機(jī)打開指示燈，提醒管理人員及時采取措施。

數(shù)據(jù)可視化：將接收的煙霧濃度數(shù)據(jù)、火焰探測數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)等，通過直線圖、餅圖、曲線圖等方式呈現(xiàn)，通過C/S端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示，同時動態(tài)顯示數(shù)據(jù)對應(yīng)的指標(biāo)狀態(tài)，如優(yōu)、良、中、差、發(fā)現(xiàn)火焰、溫濕度值過高等。

數(shù)據(jù)維護(hù)：將終端采集的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)實(shí)時保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，通過系統(tǒng)管理平臺以Web方式遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)記錄的增、刪、改、查等。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

5.1 下位機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)借助Keil5平臺開發(fā)，結(jié)合單片機(jī)的中斷、串口通信功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和傳輸。下位機(jī)首先需要對自定義的參數(shù)、串口中斷以及單片機(jī)的總中斷等進(jìn)行初始化設(shè)置，確保單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)正常運(yùn)行，然后采取采集、分析、發(fā)送等操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和分批處理。審核數(shù)據(jù)發(fā)送/接收標(biāo)志位后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，確保發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并修改標(biāo)志位。下位機(jī)業(yè)務(wù)操作流程如圖5所示。

圖5 下位機(jī)業(yè)務(wù)操作流程

5.2 LoRa通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通信過程采用對數(shù)據(jù)添加目標(biāo)地址、狀態(tài)標(biāo)志位、校驗(yàn)字節(jié)等方式封裝，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。LoRa通信協(xié)議基本數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

圖6中，D0為起始標(biāo)志位，D1為目標(biāo)地址，D2為本地地址，D1和D2可用十六進(jìn)制表示，D3～D9封裝需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，D10進(jìn)行字節(jié)校驗(yàn)，D11為結(jié)束標(biāo)志位。

圖6 LoRa通信協(xié)議基本數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)發(fā)送/接收過程中，例如發(fā)送端與接收端的起始標(biāo)志位、目標(biāo)地址及本地地址必須符合通信協(xié)議才能滿足數(shù)據(jù)收發(fā)條件；單片機(jī)逐幀收發(fā)數(shù)據(jù)，接收/發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后必須將狀態(tài)位清零，然后讀取緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)到單片機(jī)，再繼續(xù)接收/發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，直至緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀取。最后啟動中斷程序，數(shù)據(jù)通信結(jié)束。

5.3 監(jiān)測預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)險情時須自行預(yù)警，提示該區(qū)域的作業(yè)人員及時撤離并做好安全防護(hù)工作。系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警的依據(jù)主要包括發(fā)現(xiàn)火焰、煙霧濃度過高、區(qū)域溫度過高等，不論發(fā)現(xiàn)上述哪一種情況都會觸發(fā)上位機(jī)程序和下位機(jī)系統(tǒng)預(yù)警，管理人員聽到警報提示音后立即查看危險數(shù)據(jù)的種類，并及時做好預(yù)警和危險排查工作。預(yù)警機(jī)制如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制

5.4 數(shù)據(jù)庫實(shí)時存儲功能

在上位機(jī)程序端連接MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，利用SQL過程控制語句將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)寫入操作。通過對采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行寫入測試，使數(shù)據(jù)能夠正確且實(shí)時保存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫測試效果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)庫測試效果

6 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)工廠安防監(jiān)測中通信距離短、成本高、穩(wěn)定性差的問題，在深入研究的基礎(chǔ)上融合新一代信息技術(shù)設(shè)計了一套基于LoRa的中小企業(yè)工廠安防監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煙霧、溫濕度、火焰等數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多的LoRa組網(wǎng)數(shù)據(jù)透傳功能，實(shí)現(xiàn)了同步寫入云服務(wù)器端MySQL數(shù)據(jù)庫的功能，實(shí)現(xiàn)了云平臺的工廠安防監(jiān)測、預(yù)警、數(shù)據(jù)分析和智能處理等功能。實(shí)驗(yàn)表明，該方案有效，可為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。