基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓋昊宇，張震，朱煉，張佑春

基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓋昊宇，張震，朱煉，張佑春

（安徽工商職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院，合肥 231131）

在半導(dǎo)體廠房特殊環(huán)境中，常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在組網(wǎng)上存在布線不合理的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)在遭遇大量障礙物時(shí)信號(hào)幅度被衰減，信號(hào)穿透性比較差。針對(duì)這一問題，提出基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)上，利用LoRa技術(shù)原有的硬件結(jié)構(gòu)中接入射頻模塊，在廠房?jī)?nèi)配置溫濕度傳感器、PM2.5傳感器，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)終端采集環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，在射頻模塊的支持下實(shí)現(xiàn)無線傳輸；在軟件設(shè)計(jì)上，從工作頻率、傳輸類型、協(xié)議參數(shù)上設(shè)計(jì)LoRa協(xié)議棧，并配置載波頻率，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)指令的傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)隨機(jī)數(shù)序列，用于保證傳輸過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于LoRa技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面對(duì)大量障礙物時(shí)信號(hào)強(qiáng)度高，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差小，信號(hào)穿透性更強(qiáng)。

LoRa技術(shù)；半導(dǎo)體廠房；環(huán)境監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)傳輸；信號(hào)衰減；遠(yuǎn)程監(jiān)控；

在半導(dǎo)體行業(yè)迅速發(fā)展的今天，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的要求越來越高，它的好壞不僅關(guān)系到從業(yè)人員生產(chǎn)過程中的健康和舒適性，而且關(guān)系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，以及生產(chǎn)過程能否進(jìn)行等重要問題[1]。半導(dǎo)體廠房環(huán)境要素包括潔凈度、溫度與濕度、振動(dòng)、磁場(chǎng)、靜電和其它有害氣體的流動(dòng)方向等，所以為了有效提高產(chǎn)品的合格率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與高可靠性，必須要保證半導(dǎo)體廠房環(huán)境潔凈度滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[2]。而工作人員為了保證廠房環(huán)境的潔凈，多數(shù)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體廠房環(huán)境。經(jīng)過對(duì)目前廠房工作情況的總結(jié)可知，實(shí)施廠房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，產(chǎn)品效益得到了明顯地增加，節(jié)省了大量人力財(cái)力[3-4]。但是隨著半導(dǎo)體精細(xì)程度的提高以及需求量的增加，常規(guī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足半導(dǎo)體廠房的環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，部分系統(tǒng)還停留在小范圍的、零散的層面上，急需技術(shù)創(chuàng)新[5-7]。

國內(nèi)研究存在自主研發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也有部分借鑒了國外技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]。目前在實(shí)際工作中比較常見的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的基于激光雷達(dá)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光器發(fā)送光信號(hào)，獲取回波有效信息，實(shí)現(xiàn)多方位的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度較高，但是系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間布線比較雜亂，組網(wǎng)困難，面對(duì)監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)或障礙物較多的情況，信號(hào)穿透性不好。文獻(xiàn)[10]中提到的基于無人機(jī)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在類似的問題，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中解決了布線雜亂導(dǎo)致的電磁干擾問題，但是并沒有解決信號(hào)穿透性差的問題。因此，提出基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用LoRa無線通信技術(shù)解決上述常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問題。

1 基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 搭建系統(tǒng)硬件框架

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件部分和軟件部分。將以往的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架作為基礎(chǔ)，對(duì)其中的部分結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

針對(duì)圖1中顯示的硬件部分，設(shè)計(jì)LoRa射頻模塊，與控制器連接在一起。LoRa射頻模塊以SX1278射頻芯片為主，通過LPUART接口與無線通信模塊和傳感器模塊相連，經(jīng)過LoRa網(wǎng)關(guān)訪問監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與處理。LoRa射頻模塊硬件框架如圖2所示。圖2中顯示的電源模塊包括基準(zhǔn)電壓源、電池和電源適配器，用以支撐整個(gè)硬件部分的穩(wěn)定運(yùn)行。在監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體廠房過程中，需要將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置在廠房?jī)?nèi)部，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)即為系統(tǒng)的終端硬件，設(shè)計(jì)終端硬件采集廠房?jī)?nèi)的溫濕度和潔凈度等參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 LoRa射頻模塊硬件框架圖

1.2 設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)終端硬件

監(jiān)測(cè)終端的需求是采集廠房的溫濕度參數(shù)和潔凈度參數(shù)，同時(shí)還要將采集的數(shù)據(jù)傳遞到其他模塊[11]。因此，將溫濕度傳感器、PM2.5傳感器布置在廠房?jī)?nèi)，利用傳感器采集廠房環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過LoRa網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[12]。監(jiān)測(cè)終端的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

技術(shù)人員通過上位機(jī)向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送控制指令，在環(huán)境參數(shù)采集完成后，將監(jiān)測(cè)結(jié)果展示在上位機(jī)界面上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 LoRa通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)無線通信特點(diǎn)，從多個(gè)方面展開LoRa通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，以常規(guī)的通信協(xié)議棧作為框架，定義通信協(xié)議的各個(gè)屬性[13]。LoRa協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 LoRa協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

圖4中的射頻層定義了通信協(xié)議工作頻段，針對(duì)不同的國家和地區(qū)劃分不同的工作頻段，設(shè)計(jì)過程中使用的頻段為亞洲公頻段。

介質(zhì)訪問控制層定義通信協(xié)議傳輸類別，LoRaWAN的可選擴(kuò)頻因子影響通信傳輸速率和范圍。在設(shè)計(jì)中，由擴(kuò)頻因子、編碼率和帶寬確定LoRa的傳輸速率[14]。計(jì)算公式如下

物理層定義協(xié)議參數(shù)，主要目的是調(diào)制和解調(diào)通信信號(hào)，調(diào)制方式為線性擴(kuò)頻調(diào)頻，每個(gè)調(diào)頻信號(hào)的連續(xù)時(shí)間由擴(kuò)頻因子和帶寬確定[15]。由以上內(nèi)容組成LoRa協(xié)議棧。

2.2 隨機(jī)數(shù)設(shè)計(jì)

3 基于LoRa技術(shù)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體廠房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用水平，在實(shí)驗(yàn)研究中使用具有LoRa技術(shù)特征的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，與常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比較，通過監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合實(shí)驗(yàn)分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)穿透性。在實(shí)驗(yàn)前，為實(shí)驗(yàn)中使用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置主要參數(shù)。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在保證各個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)一致的情況下，分別對(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、常見的基于激光雷達(dá)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及基于無人機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。

3.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中，選擇一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為Sink節(jié)點(diǎn)，與其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成通信組網(wǎng)，為每一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)獨(dú)立不重復(fù)的地址。在系統(tǒng)上電后，以一個(gè)固定周期向其監(jiān)測(cè)組網(wǎng)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求幀，保證所有參數(shù)配置相同的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)均能接收到，直到Sink節(jié)點(diǎn)回復(fù)應(yīng)答幀。在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，Sink在接收到入網(wǎng)請(qǐng)求后需要判斷數(shù)據(jù)幀是否有效，如果確定有效，將攜帶地址信息的應(yīng)答幀返回給監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，完成入網(wǎng)。

使用第三方軟件編輯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求幀，數(shù)據(jù)內(nèi)容為“0x0c 0x14 0x01 0xff 0x01 0x27 0x05 0xff”，目的地址為0xffff，將入網(wǎng)請(qǐng)求幀分別發(fā)送給不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在獲得各個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)答幀時(shí)，同時(shí)接收到監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)入網(wǎng)應(yīng)答幀為“0x0c 0x14 0x01 0x00 0x01 0x27 0x05 0x00”，源地址為0x0101，RSSI為-33dBm；基于激光雷達(dá)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)入網(wǎng)應(yīng)答幀為“0x0c 0x00 0x21 0x00 0x01 0x00 0x05 0x00”，源地址為0x0101，RSSI為-43dBm；基于無人機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)入網(wǎng)應(yīng)答幀為“0x0c 0x00 0x01 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00”，源地址為0x0101，RSSI為-51dBm。

通過這一結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)中使用的三個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均能完成監(jiān)測(cè)入網(wǎng)，但是相比之下，信號(hào)強(qiáng)度各不相同，其中以設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最高，基于無人機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度最弱，但是整體差距不大。考慮到半導(dǎo)體廠房的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)條件，分析在不同條件下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否還能保持高水平的信號(hào)質(zhì)量。

以墻體障礙物數(shù)量作為條件，設(shè)墻體之間距離為20m，設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)出后，由不同位置的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)返回監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信號(hào)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過圖5中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著障礙物的增加，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度逐漸下降，相比之下，提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度更加穩(wěn)定，面對(duì)不斷增多的障礙物，始終保持比較高的信號(hào)強(qiáng)度，而其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度下降明顯，不足以支撐半導(dǎo)體廠房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。綜上所述，提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)更穩(wěn)定。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，影響信號(hào)穿透性的因素不僅僅是信號(hào)強(qiáng)度，系統(tǒng)的能耗均衡水平也是一個(gè)重要因素。

3.3 監(jiān)測(cè)能耗均衡性能實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)定一個(gè)100m*100m的仿真區(qū)域，將Sink節(jié)點(diǎn)布置在仿真區(qū)域中間，同時(shí)將其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置在區(qū)域內(nèi)，劃分出5個(gè)子區(qū)域，再對(duì)監(jiān)測(cè)能耗均衡性進(jìn)行研究分析。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的分布情況如圖6所示。

監(jiān)測(cè)能耗均衡性實(shí)驗(yàn)分為兩種情況，一種是監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量，一種是監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具備的初始能量各不相同。在第一組實(shí)驗(yàn)中，為每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置相同的初始能量，均為4.5mA·h。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到各個(gè)子區(qū)域平均剩余能量的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)仿真區(qū)域分布圖

圖7 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能量相同時(shí)能耗變化情況

設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的初始能量在2～5mA·h之間，結(jié)合表1中顯示的參數(shù)值，通過多次實(shí)驗(yàn)得到各個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)平均剩余能耗的變化情況。具體內(nèi)容如圖8所示。

從圖7中可以看出，在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)初始能量相同的情況下，面對(duì)不斷增加的發(fā)送次數(shù)，剩余能量均方差逐漸增大，說明各個(gè)子區(qū)域之間出現(xiàn)了能量不均衡的情況，這種不均衡性將會(huì)影響信號(hào)的傳遞效果；在圖8中，節(jié)點(diǎn)初始能量不相同，在發(fā)送次數(shù)不斷增加的情況下，節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差逐漸減小，說明能耗均衡性得到改善。但是，單獨(dú)觀察各個(gè)系統(tǒng)在兩種條件下的變化可知，常見的兩種環(huán)境監(jiān)測(cè)方法在實(shí)驗(yàn)中變化波動(dòng)比較大，節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差多數(shù)處于高水平狀態(tài)，只有提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，水平較低。說明提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能耗更均衡，結(jié)合監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同分析可確定，提出的基于LoRa技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度高，能耗均衡，整體監(jiān)測(cè)性能優(yōu)于常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖8 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能量不同時(shí)能耗變化情況

4 結(jié)束語

本文面對(duì)半導(dǎo)體廠房環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求與LoRa技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于LoRa的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從硬件和軟件兩部分完成了對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)與研究，并與常見的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比較，通過比較性的實(shí)驗(yàn)方案，證明了設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能更加優(yōu)良，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，LoRa技術(shù)的應(yīng)用避免了技術(shù)人員非必要出入廠房環(huán)境，進(jìn)一步保證了人員和廠房的安全。但是在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在一些問題，在接下來的工作中，將從遠(yuǎn)程通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸安全上入手，研究并設(shè)計(jì)功能更加完善，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)安全性更高的系統(tǒng)，為半導(dǎo)體廠房環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更可靠的技術(shù)。

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Design of semiconductor plant environment real-time monitoring system based on LoRa technology

GAI Hao-yu，ZHANG Zhen，ZHU Lian，ZHANG You-chun

(School of Application Engineering, Anhui Business and Technology College, Hefei 231131, China)

In the special environment of semiconductor plant, the common environmental monitoring system has the problem of unreasonable wiring on the network, which leads to the signal amplitude attenuation and poor signal penetration when the system encounters a large number of obstacles. To solve this problem, a real-time monitoring system for semiconductor plant environment based on LoRa technology is proposed.In terms of hardware design, radio frequency modules are connected to the original hardware structure of LoRa technology, temperature and humidity sensors and PM2.5 sensors are configured in the factory building, and the monitoring terminal is designed to collect environmental sensor data and realize wireless transmission with the support of radio frequency modules. In terms of software design, LoRa protocol stack is designed from working frequency, transmission type and protocol parameters, carrier frequency is configured to realize the transmission of monitoring instructions, and random number sequence is designed to ensure the security of monitoring data during transmission.Experimental results show that the designed environmental monitoring system based on LoRa technology has high signal intensity when facing a large number of obstacles, small mean square error of residual energy of monitoring nodes, and stronger signal penetration.

LoRa technology；semiconductor plant；environmental monitoring；real-time transmission；signal attenuation; remote monitoring

2021-11-17

安徽省高校優(yōu)秀拔尖人才培育資助項(xiàng)目（gxyqZD2021146，gxbjZD2020105）；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2020A1096，KJ2020A1094，KJ2020A1095）；安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2020jyxm0194，2020szsfkc0115，2020sjjd016，2019xqsxzx71）；安徽省職業(yè)與成人教育學(xué)會(huì)教育教學(xué)研究規(guī)劃課題（azcg200）

蓋昊宇（1983-），男，安徽滁州人，講師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信工程應(yīng)用研究，34216080@qq.com。

TP393

A

1007-984X(2022)04-0014-06