韓靜，田晶，喬記平

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息系，山西 太原 030032；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006；3.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著人民群眾生活水平的不斷提高以及休閑娛樂方式的快速發(fā)展，人們?cè)诖笮蛨?chǎng)館內(nèi)的活動(dòng)越來越多，其室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響人們的舒適度和身心健康。而且傳統(tǒng)管理方式普遍存在效率低下、不能形成管理維護(hù)的閉環(huán)等缺陷。因此，大型場(chǎng)館環(huán)境的智能化監(jiān)測(cè)就變得尤為重要。綜合上述問題，本文提出了基于LoRa（Long Range Radio）無線傳輸技術(shù)的大型場(chǎng)館室內(nèi)環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、甲醛、可吸入顆粒物濃度等環(huán)境參數(shù)，利用多傳感器信息融合方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)大型場(chǎng)館室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它的實(shí)施和運(yùn)行可使大型場(chǎng)館的管理更加高效、安全、便捷，并可為場(chǎng)館管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的大型場(chǎng)館環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、匯聚節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心組成。具體而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、甲醛傳感器和可吸入顆粒物傳感器，微處理器通過采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，并通過LoRa無線通信模塊，將所采集的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、LoRa無線接收模塊、4G模塊和電源模塊組成，匯聚節(jié)點(diǎn)通過LoRa模塊接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并通過4G模塊將各個(gè)終端所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并通過信息融合處理，實(shí)現(xiàn)大型場(chǎng)館環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、分析和查詢等服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和匯聚節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于前期開發(fā)調(diào)試和后期維護(hù)。

2.1 傳感器選型及電路設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)要求，選取的傳感器需要提供不同的工作電壓，并根據(jù)輸出信號(hào)的差異進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。

溫濕度傳感器選用Silicon Lab公司的Si7021溫濕度傳感器。Si7021包含VCC、GND、SCL、SDA四個(gè)引腳，工作電壓1.9-3.6V。該模塊內(nèi)置了濕度和溫度傳感器元件、AD轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和I2C接口，可將采集的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。其濕度量程為0～100%RH，溫度量程為-40～+125℃，測(cè)溫精度可達(dá)±0.4℃，具有體積小、功率低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的可靠性與長期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。甲醛傳感器選用ZE08-CH20型電化學(xué)甲醛傳感器，該傳感器利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲醛進(jìn)行檢測(cè)，具有良好的穩(wěn)定性和選擇性，內(nèi)置的溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。其工作電壓為3.7～5.5V，具有模擬和數(shù)字信號(hào)輸出方式，并提供UART、ADC、PWM 3種信號(hào)輸出方式，因而具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。ZE08-CH20傳感器傳送的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，其氣體濃度值計(jì)算方法為：氣體濃度值=高位氣體濃度×256＋低位氣體濃度值。

表1 ZE08-CH20型甲醛傳感器數(shù)據(jù)幀格式

1014AU0F光學(xué)粉塵傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器內(nèi)部安裝有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，通過監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣中塵埃的反射光，可實(shí)現(xiàn)0.8～10μm大小顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)，其輸出為一正比于粉塵濃度的模擬電壓，范圍為0～4.5V，靈敏度可達(dá)0.5V/(0.1mg/m3)，工作電壓為5～7V，最大消耗電流為20mA。

2.2 處理器模塊

系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103RET6微處理器，以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)低功耗的要求。具有高度集成、高性能、低成本、低功耗、低電壓和開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)置512KB Flash，64KB RAM，自帶64引腳和兩條連接APB總線的外設(shè)。微處理器供電電壓范圍為2～3.6V，一般選用3.3V供電，工作頻率可達(dá)72MHz，包含I2C、CAN總線、USART、SPI、USB等多種通信接口，低功耗模式下，芯片可配置睡眠、待機(jī)和停機(jī)模式，使系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)降低功耗。

2.3 無線通信模塊

針對(duì)大型場(chǎng)館監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布廣泛、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，采用LoRa和4G兩種無線傳輸技術(shù)相互結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。首先，分布在大型場(chǎng)館內(nèi)的各傳感器數(shù)據(jù)采集模塊將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過LoRa方式傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)再通過4G方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。這種模式不僅能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)，大幅降低了系統(tǒng)功耗，可保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。LoRa網(wǎng)絡(luò)選用優(yōu)信電子設(shè)計(jì)的RHF76-052無線通信模塊，該模塊使用的射頻芯片為SX1276，工作頻率在433-470MHz，并設(shè)有UART通信接口，輸出功率可達(dá)17dBm，內(nèi)置LoRaWAN協(xié)議棧，采用LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。4G模塊選用WH-LTE-7S4，該模塊為插針式設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)UART與4G的雙向透?jìng)鞴δ?；具有高速率、低時(shí)延得有點(diǎn)；允許2個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接同時(shí)在線，支持TCP、UDP通信協(xié)議；支持網(wǎng)絡(luò)透?jìng)?、HTTP、UDC工作模式；其電路連接如圖2所示。

圖2 4G模塊電路圖

2.4 電源模塊

系統(tǒng)采用5V鋰電池為各模塊供電，如圖3所示，因系統(tǒng)中部分主要器件的工作電壓為3.3V，如微處理器、溫濕度傳感器，因此在供電電路中使用LT1117降壓穩(wěn)壓器將5V電壓降為3.3V，穩(wěn)壓器內(nèi)部集成限流和過熱保護(hù)，滿足系統(tǒng)供電需求。

圖3 供電電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由STM32F103RET6微處理器、傳感器模塊、LoRa模塊和電源模塊組成。溫濕度傳感器Si7021與STM32通過I2C總線通信，甲醛傳感器通過STM32內(nèi)部 ADC模塊讀取數(shù)據(jù)，LoRa模塊通過UART串口與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并配置計(jì)時(shí)器，配置完成系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)采集時(shí)間到達(dá)后，處理器驅(qū)動(dòng)傳感器采集各個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)，各傳感器輪詢工作，采集通道數(shù)為0時(shí)數(shù)據(jù)采集完成，此時(shí)即可通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)由STM32處理器、電源模塊、LoRa模塊和4G模塊組成。匯聚節(jié)點(diǎn)的功能是接收所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包，利用4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。當(dāng)4G模塊與服務(wù)器連接成功后，通過AT指令查詢4G模塊是否接收到服務(wù)器下發(fā)的指令。當(dāng)4G模塊接收到下發(fā)指令，微處理器對(duì)指令進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)下發(fā)到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)接收到返回?cái)?shù)據(jù)后，通過SX1276接收數(shù)據(jù)，并通過4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)搭建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，使用SQL Server創(chuàng)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。LabVIEW與數(shù)據(jù)庫連接，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)。Web發(fā)布是LabVIEW提供的一種可以直接從網(wǎng)頁訪問并操作程序前面板的方法。

通過Web發(fā)布監(jiān)測(cè)平臺(tái)到局域網(wǎng)服務(wù)器，用戶可以通過瀏覽器對(duì)上位機(jī)程序進(jìn)行訪問，獲取場(chǎng)館內(nèi)的歷史及實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機(jī)前面板顯示包括：環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警提示、歷史數(shù)據(jù)查詢和傳感器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面。硬件系統(tǒng)每30s向上位機(jī)發(fā)送一組環(huán)境數(shù)據(jù)，通過垂直滑動(dòng)桿控件和數(shù)字顯示控件進(jìn)行直觀形象地顯示，包括溫度、濕度、甲醛濃度、灰塵濃度。由于場(chǎng)館面積較大，通常會(huì)布置多組數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為了便于后期設(shè)備維護(hù)、保持系統(tǒng)良好運(yùn)行，上位機(jī)會(huì)監(jiān)控每個(gè)傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)受到影響。另外，當(dāng)溫度、濕度、甲醛、灰塵超出閾值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警提醒，提示場(chǎng)館工作人員及時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，改善場(chǎng)館內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將硬件設(shè)備布置在某體育場(chǎng)館內(nèi)，根據(jù)場(chǎng)地大小合理布置五組數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。各部分硬件設(shè)備正常供電后，傳感器正常工作，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。為了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，選取系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行1h的各傳感器數(shù)據(jù)值，通過分析可得，隨著時(shí)間的推移，濕度數(shù)據(jù)和甲醛濃度值基本保持不變，溫度值在±0.1℃范圍內(nèi)變化，灰塵濃度在±10μg/m3范圍內(nèi)變化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高，傳輸速率快，滿足了大型場(chǎng)館的環(huán)境監(jiān)測(cè)和現(xiàn)代化管理需求。

5 結(jié)語

由于大型場(chǎng)館面積大、范圍廣，綜合布線難度較大，本文利用LoRa和4G無線通信技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)、通信范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大型場(chǎng)館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、甲醛濃度、灰塵濃度的監(jiān)測(cè)工作，通過對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)館內(nèi)的環(huán)境變化，并提出有效的調(diào)節(jié)措施。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)檢測(cè)精度高，運(yùn)行能耗低，網(wǎng)絡(luò)通信良好，可長期穩(wěn)定運(yùn)行。