基于LoRa技術(shù)的工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)

蓋昊宇，張 震，姚慶鋒，胡貴恒

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

隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，采用信息化管理和智能控制技術(shù)構(gòu)建工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)控系統(tǒng))實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室環(huán)境的全覆蓋監(jiān)控，受到人們的極大關(guān)注[1]。目前，監(jiān)控系統(tǒng)主要的設(shè)計方法是采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)[2]，結(jié)合ZigBee組網(wǎng)控制技術(shù)。但該類方法在進行工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控時可靠性和精準度不高。本文提出基于LoRa技術(shù)的工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法，首先構(gòu)建系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合特征挖掘技術(shù)分析工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋信息特征分量，提取工業(yè)潔凈室監(jiān)控數(shù)據(jù)信息。對監(jiān)控信息進行分類和融合度檢測，提取智能運維作業(yè)管理下監(jiān)控信息的融合向量，結(jié)合嵌入式分析方法，得到監(jiān)控系統(tǒng)的自適應(yīng)參數(shù)嵌入式調(diào)度模型，采用TCP傳輸控制協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計。最后進行仿真測試分析。

1 系統(tǒng)總體功能構(gòu)成及數(shù)據(jù)傳輸

1.1 系統(tǒng)總體功能構(gòu)成

系統(tǒng)總體設(shè)計采用嵌入式設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建信息處理模塊，結(jié)合程序加載控制，進行監(jiān)控系統(tǒng)的模糊信息調(diào)度和總線加載[3]；分析監(jiān)控系統(tǒng)的編譯程序信息，通過總線傳輸控制，建立系統(tǒng)的指令加載模塊，提高預(yù)警分析能力。系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架

在系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架的基礎(chǔ)上，采用16位的外設(shè)總線進行自動測報和信息傳輸控制，采用指令信息模糊加載的方法，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)控制模塊，結(jié)合交叉編譯和程序讀寫控制，實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室環(huán)境自動監(jiān)控和模糊參數(shù)融合[4]，得到系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模塊

構(gòu)建信息處理模塊，結(jié)合交叉編譯和CPLD編程設(shè)計的方法，進行人機交互設(shè)計；構(gòu)建集成處理模塊，采用CPLD編程設(shè)計，結(jié)合ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行工業(yè)潔凈室環(huán)境信息監(jiān)控和輸出轉(zhuǎn)換控制[5]。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析模型，結(jié)合信息匹配和特征挖掘技術(shù)分析信息特征分量，結(jié)合統(tǒng)計特征分析模型進行信息分類和匹配度檢測[6]。在多徑傳播特性約束下，系統(tǒng)訪問控制的頻域特征參數(shù)為NS，對工業(yè)潔凈室環(huán)境自動監(jiān)控，得到其空間信道傳輸模型為：

(1)

式中：qj是數(shù)據(jù)接收的帶寬；aj為信道增益強度系數(shù)；cj為擴頻序列。通過時間寬度分析，構(gòu)建系統(tǒng)的信道增益調(diào)節(jié)模型，根據(jù)傳感器節(jié)點分布，進行系統(tǒng)的訪問接口設(shè)計，得到系統(tǒng)信息傳輸信道的第n層的負載：

(2)

(3)

式中：m為關(guān)聯(lián)特征分量。通過延時共軛相乘和殘差分析，得到系統(tǒng)的輸出空間鏈路模型：

(4)

式中：B是系統(tǒng)的隨機分布序列；L為系統(tǒng)的多普勒頻偏；i,j為系統(tǒng)的節(jié)點對數(shù)；μ(i)為系統(tǒng)的接入節(jié)點(i,j)的頻移參數(shù)[7]。

通過輸出可靠性調(diào)節(jié)，建立系統(tǒng)訪問的傳輸模型[8]，得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出函數(shù)：

(5)

(6)

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 信息融合

計算監(jiān)控系統(tǒng)的訪問時間周期，結(jié)合相似度分析與大數(shù)據(jù)信息融合的方法，建立濾波函數(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)監(jiān)控信息過濾，結(jié)合模糊度檢測，得到信息融合模型[9]，計算監(jiān)控系統(tǒng)的稀疏矩陣W(t)的最優(yōu)解，即

(7)

式中：maxW(t)表示稀疏矩陣最大邊界值；minW(t)表示稀疏矩陣最小邊界值。輸出系統(tǒng)的訪問控制參數(shù)，得到監(jiān)控信息輸出的模糊度函數(shù)為：

(8)

式中：WT表示訪問數(shù)據(jù)回傳速度；V-1表示監(jiān)控信息模糊向量。根據(jù)不同場景需求，得到系統(tǒng)訪問控制的正則化參數(shù)描述為：

(9)

通過反饋參數(shù)調(diào)節(jié)與信息融合，構(gòu)建工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控的融合分布向量，表示為：

(10)

(11)

式中：wi表示系統(tǒng)自適應(yīng)融合參數(shù)；αi表示反饋參數(shù)調(diào)節(jié)范圍函數(shù)。通過多參數(shù)聯(lián)合估計，進行環(huán)境全覆蓋監(jiān)控和輸出均衡配置[10]。

2.2 嵌入式調(diào)度

采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)控制和傳感節(jié)點分布式部署方法，實現(xiàn)對工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控的過程控制和程序交叉編譯，結(jié)合分區(qū)塊調(diào)節(jié)和聚類分析[11]，得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入訪問的統(tǒng)計信息量為：

(12)

式中：w(n)表示數(shù)據(jù)聚類參數(shù)；p(n)表示區(qū)塊調(diào)節(jié)參數(shù)；K表示數(shù)據(jù)接入訪問頻率。對式(12)求得最優(yōu)解，基于全局尋優(yōu)控制的方法，實現(xiàn)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)換控制，得到監(jiān)控輸出的載波函數(shù)w0，系統(tǒng)的傳遞帶寬為：

(13)

根據(jù)上述分析，采用增廣拉格朗日乘子向量分析[12]的方法，采用信道均衡配置的方法，進行系統(tǒng)的可靠性分配，得到監(jiān)控數(shù)據(jù)的調(diào)度參數(shù)為：

(14)

通過多源參數(shù)調(diào)度，構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的回歸檢測模型[13]，分別記為?vi和βvi，網(wǎng)絡(luò)可靠性及傳輸速率為：

(15)

(16)

結(jié)合嵌入式分析方法，得到系統(tǒng)的自適應(yīng)參數(shù)嵌入式調(diào)度模型為：

(17)

通過均衡控制，實現(xiàn)系統(tǒng)訪問控制，并采用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)實現(xiàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計[15]。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了驗證本文方法的應(yīng)用性能，進行仿真測試分析，設(shè)定系統(tǒng)監(jiān)控的節(jié)點為1 200，迭代次數(shù)為62，調(diào)度周期為15 min，測試監(jiān)控系統(tǒng)的訪問誤碼率，得到測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)誤碼率測試

分析圖3得知，本文方法的誤碼率較低。測試監(jiān)控系統(tǒng)的信息訪問延遲率，得到對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 訪問延遲率測試

分析圖4得知，本文方法的延遲率較低。測試監(jiān)控輸出的覆蓋度水平，得到對比結(jié)果見表1。

表1 覆蓋度水平測試

分析表1得知，本文方法的覆蓋度較高，覆蓋水平較強。

4 結(jié)語

本文提出基于LoRa技術(shù)的工業(yè)潔凈室環(huán)境全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計：通過總線傳輸控制，建立系統(tǒng)指令加載模塊，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)控制模塊；結(jié)合交叉編譯和程序讀寫控制，實現(xiàn)自動監(jiān)控和模糊參數(shù)融合；建立濾波函數(shù)實現(xiàn)信息過濾；采用信道均衡配置的方法，進行系統(tǒng)可靠選性分配。仿真實驗驗證：本文方法的覆蓋度較高，延遲率和誤碼率較低，可靠性較好。