摘要：針對(duì)目前車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺失以及布線安裝成本較高、難度較大等問題，提出一種基于LoRa技術(shù)的車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用ESP32S2作為主控核心，ATK-LORA-01作為通信模塊，借助阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，完成各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、上傳及下發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫(kù)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在指標(biāo)異常時(shí)采取相應(yīng)措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定性高、拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)，為未來車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)提供一種切實(shí)可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：LoRa；ESP32S2；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；阿里云平臺(tái)；手機(jī)監(jiān)測(cè)

一、前言

目前國(guó)內(nèi)車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用的還是有線連接[1]，這種連接通過線纜將監(jiān)測(cè)傳感器與主控器進(jìn)行連接，但需要鋪設(shè)大量線纜，安裝難度較大，安裝成本較高；隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，如Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、LoRaWan[2]等，這些無線通信技術(shù)存在不同的優(yōu)劣勢(shì)情況，可以在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中提供靈活、便捷和高效的無線通信解決方案。

無線通信技術(shù)方案較多。例如，Wi-Fi雖然已經(jīng)廣泛普及但功耗較高；藍(lán)牙雖然是低功耗但傳輸距離較短；Zigbee技術(shù)既屬于低功耗且傳輸范圍大，但存在較大的干擾與數(shù)據(jù)丟失問題。LoRa技術(shù)則很好解決了上述問題[3]，LoRa是一種低功耗、遠(yuǎn)距離的無線通信技術(shù)，具有良好的穿透能力，在存在障礙物的環(huán)境下可提供穩(wěn)定可靠的通信。本文將基于LoRa無線通信技術(shù)，采用ESP32S2作為主控核心，通過各傳感器來監(jiān)測(cè)車庫(kù)安全，為未來車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)提供了一種解決方案。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由云平臺(tái)、終端結(jié)點(diǎn)、核心控制板和應(yīng)用軟件組成。LoRa終端結(jié)點(diǎn)部署在各采集傳感器，通過LoRa實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)匯總到核心控制板，其中的LoRa通信模塊主要充當(dāng)LoRa網(wǎng)關(guān)作用，完成對(duì)數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，采用一對(duì)多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。核心控制板通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)接口。

（一）防火安全子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防火安全子系統(tǒng)旨在監(jiān)測(cè)車庫(kù)內(nèi)的火災(zāi)情況，一旦監(jiān)測(cè)到火焰或煙霧，防火安全子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)報(bào)警設(shè)備定位到具體位置，發(fā)出警報(bào)并通知相關(guān)人員。此外，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)打開區(qū)域水泵進(jìn)行火災(zāi)的控制。防火安全子系統(tǒng)主要由火焰紅外傳感器、可燃?xì)怏w、水泵、舵機(jī)以及LoRa通信模塊等組成。可燃?xì)怏w傳感器配合火焰紅外傳感器可以監(jiān)測(cè)當(dāng)前區(qū)域是否真的發(fā)生火災(zāi)，避免光強(qiáng)度過強(qiáng)導(dǎo)致的誤觸發(fā)。LoRa通信模塊與主控板通過將環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，同時(shí)還能接收來自應(yīng)用軟件的指令，用于滅火水泵的自動(dòng)滅火與手動(dòng)滅火。

（二）防溢水子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防溢水子系統(tǒng)旨在監(jiān)測(cè)車庫(kù)內(nèi)的水位變化，一旦檢測(cè)到異常的液位上升，該系統(tǒng)將采取措施防止水位溢出。防溢水子系統(tǒng)使用水位傳感器、抽水泵以及LoRa通信模塊等組件來實(shí)現(xiàn)其功能。水位傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到水位上升或溢出的情況，并通過LoRa通信模塊將YW01水位傳感器輸出的數(shù)據(jù)通過核心主控板轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺(tái)，以便及時(shí)發(fā)出警報(bào)以提醒相關(guān)人員。

（三）環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在確保車庫(kù)內(nèi)的環(huán)境安全。通過這些傳感器的協(xié)同工作，環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度以及人員活動(dòng)，以便在出現(xiàn)異常情況時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧？梢允褂脩舴判牡厥褂密噹?kù)，并在需要時(shí)采取必要的預(yù)防措施，以確保車庫(kù)內(nèi)的環(huán)境符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

三、系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要分為防火安全系統(tǒng)、防溢水系統(tǒng)和環(huán)境采集系統(tǒng)，各系統(tǒng)通過不同的傳感器對(duì)車庫(kù)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過LoRa模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。各子系統(tǒng)的主要功能是通過各傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，傳感器獨(dú)立運(yùn)行，但受ESP32S2主控芯片統(tǒng)一調(diào)度。該系統(tǒng)各傳感器如下：

ESP32S2芯片：ESP32S2是一款低功耗、高集成的芯片，集成了包括SPI、UART、ADC等接口，還具備Wi-Fi功能，滿足多種應(yīng)用需求。此外，ESP32S2主控芯片還擁有豐富的I/O接口，可以用于各傳感器的控制。

火焰紅外傳感器：火焰紅外傳感器是一款專門為監(jiān)測(cè)火焰存在而設(shè)計(jì)的傳感器，其使用一種特殊的光學(xué)濾波器，可以監(jiān)測(cè)700納米到1000納米之間的紅外線。當(dāng)火焰燃燒時(shí)，會(huì)釋放出大量的紅外輻射，這些輻射會(huì)被紅外火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)到。

MQ-7可燃?xì)怏w傳感器：MQ-7可燃?xì)怏w傳感器是一款高靈敏度、響應(yīng)速度快的可燃?xì)怏w傳感器。其內(nèi)部具有一種特殊材料，當(dāng)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)氣體時(shí)，特殊材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)效果。

YW01水位傳感器：YW01水位傳感器是一款用于測(cè)量液體水位的傳感器，具有高精度、耐腐蝕、可定制的特性。當(dāng)液位上升時(shí)，液體壓力將通過一個(gè)導(dǎo)管傳遞到傳感器內(nèi)部，隨著液位壓力變化使感應(yīng)元件變化，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)用于轉(zhuǎn)換水位讀數(shù)。

DHT11溫濕度傳感器：DHT11溫濕度傳感器用于測(cè)量周遭環(huán)境的溫度和濕度。傳感器內(nèi)部包含一個(gè)對(duì)濕度敏感的電容器與一個(gè)熱敏電阻，當(dāng)空氣中的濕度發(fā)生變化或溫度發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電容器或熱敏電阻會(huì)隨之發(fā)生變化。

HC-SRC501傳感器：HC-SRC501傳感器是一款基于PIR傳感器來進(jìn)行人體感應(yīng)的傳感器。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出熱輻射，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到周遭環(huán)境的紅外輻射變化時(shí)，傳感器會(huì)輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

SX1278模塊：SX1278模塊是一種基于LoRa無線通信模塊，具有支持長(zhǎng)距離通信、低功耗、高抗干擾性、多工作頻段等優(yōu)勢(shì)。SX1278模塊通常用于構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他需要長(zhǎng)距離通信和低功耗的應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含LoRa結(jié)點(diǎn)和ESP32S2核心板軟件設(shè)計(jì)。LoRa結(jié)點(diǎn)使用SX1278模塊，連著各傳感器，當(dāng)啟動(dòng)后，LoRa結(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行初始化，為L(zhǎng)oRa模塊配置工作頻率、頻段、帶寬等，以確保與LoRa網(wǎng)關(guān)順利連接。初始化后，LoRa節(jié)點(diǎn)向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送連接請(qǐng)求，LoRa網(wǎng)關(guān)在收到連接請(qǐng)求后，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)身份并授予網(wǎng)絡(luò)許可，在建立連接后，各傳感器會(huì)實(shí)現(xiàn)溫濕度、火焰、可燃?xì)獾扔|發(fā)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，而后傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)。該模塊在實(shí)際應(yīng)用中，具有穩(wěn)定性與持續(xù)性，僅需啟動(dòng)一次即可持續(xù)運(yùn)行。

ESP32S2集成了Wi-Fi功能，并連接LoRa網(wǎng)關(guān)，在實(shí)際運(yùn)行中，LoRa結(jié)點(diǎn)在初始化后會(huì)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯總到LoRa網(wǎng)關(guān)，而后LoRa網(wǎng)關(guān)會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP32S2核心板，核心板會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化并發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從而將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，并且通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[4]開放出的接口，使用戶能調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)在終端手動(dòng)控制，流程圖如圖2所示。

（三）阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與流轉(zhuǎn)，在平臺(tái)上，將主控器與客戶端添加進(jìn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，分別為兩者創(chuàng)建添加主題，而后通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，通過訂閱主題并進(jìn)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)完成指令轉(zhuǎn)發(fā)[5]。

在主控器采集到數(shù)據(jù)后，會(huì)將其數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)用戶使用客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看時(shí)，客戶端會(huì)通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的屬性接口，獲取當(dāng)前的屬性值。而當(dāng)用戶需手動(dòng)控制設(shè)備時(shí)，則會(huì)使用到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的云流轉(zhuǎn)功能。用戶點(diǎn)擊開啟或關(guān)閉負(fù)載時(shí)，客戶端會(huì)生成對(duì)應(yīng)的操控指令，而后將該操控指令發(fā)送給阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，由于之前設(shè)置了云流轉(zhuǎn)的規(guī)則，此時(shí)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在收到該指令之后，會(huì)根據(jù)規(guī)則的設(shè)置，將指令轉(zhuǎn)發(fā)給主控器，主控器接收到指令后，根據(jù)指令進(jìn)行負(fù)載的控制。示意圖如圖3所示。

（四）應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將軟硬件進(jìn)行分離，數(shù)據(jù)已存儲(chǔ)在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，開發(fā)人員可以使用數(shù)據(jù)接口進(jìn)行不同的應(yīng)用軟件開發(fā)[6]，實(shí)現(xiàn)各種不同功能。本次使用Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，可從云平臺(tái)獲取當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)，并手動(dòng)進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)。界面示意圖如圖4所示。

四、結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)各場(chǎng)景的安全監(jiān)測(cè)提出了越來越高的需求，構(gòu)建一個(gè)開放、共享、可靠的安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。本文基于LoRa技術(shù)完成了車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用LoRa技術(shù)將各環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，解決了目前采用有線方案安裝難度大、成本高的問題。系統(tǒng)由感知層、云平臺(tái)、應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)的采集、上傳與下發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)車庫(kù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常警報(bào)和控制。通過距離測(cè)試，LoRa無線通信技術(shù)相較于Wi-Fi等技術(shù)，功耗低、穩(wěn)定性高、拓展性強(qiáng)，符合車庫(kù)安全監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，在其他應(yīng)用場(chǎng)景中也有著良好的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XJ2021001901）

作者單位：廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津