基于LoRa与WiFi的新型智慧实验室管理平台设计.pdf
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1、物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission640 引 言实验室是学校教学活动的重要场所,一旦发生事故,会造成严重后果。实验室的管理除正常使用外,还涉及火灾、爆炸、有毒有害物品泄漏、设备和物品被盗等安全事件1,因此需要一个智能的平台来实现实验室的统一管理。现阶段最新的 LoRa 物联网技术,其器件工作时的发送电流为 45 mA,接收电流仅为 5 mA,休眠电流小于 1 A2,可以实现低功耗模式工作,一旦网络部署成功,可以长期工作,不需要人为干预。LoRa 采用了扩频技术,在最高 20 dB 噪声之下还能正常接收信号,抗干扰能力强3。LoRa 的灵敏度接近
2、香农定理的理论极限值,而且打破了传统 FSK 窄带系统的实施极限4,因此具有更长的通信距离,能实现远距离的无线传输。另外,WiFi 技术的应用也比较广泛,基本配备就是无线网卡及一台 AP,不需要布线,可以不受布线条件的限制,满足移动传输的需要,且传输速度也非常快,可以达到1 000 Mb/s 以上。目前,基于 LoRa 和 WiFi 的应用充分发挥两种通信技术的优点,已经扩展到社会生活的各个层面。1 平台总体方案设计基于 LoRa 与 WiFi 的新型智慧实验室管理平台如图 1 所示。LoRa 终端连接蜂鸣器、报警灯、温湿度传感器 DHT11、烟雾传感器 MQ-2、人体红外传感器 HC-SR5
3、01 进行信息的采集,通过 LoRa 通信传输到 LoRa 网关。LoRa 网关由 LoRa模块和 WiFi 模块组成,LoRa 网关与 LoRa 终端通信并通过WiFi 连接到本地路由器,再由路由器经过互联网传输到移动OneNET 服务器。管理员不仅可以在 OneNET 服务器上查看采集到的温度、湿度、烟雾浓度以及人体红外感应、报警灯、蜂鸣器、空调和加湿器的数值或状态等信息,而且还可以对报警灯、蜂鸣器、空调和加湿器进行控制,实现恒温恒湿预警、智能灯光开关、智能火情预警与防盗预警等功能。图 1 平台总体方案设计结构2 硬件选型与设计根据平台总体设计和需求分析,需要的硬件主要有MCU、LoRa
4、模块、WiFi 模块、温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器和设备控制器等。2.1 硬件选型(1)主控制器模块设 计 的 智 慧 实 验 室 管 理 平 台 使 用 的 MCU 为STM32F103RC 芯片。STM32F103RC 是主频为 72 MHz 的基于 ARM 架构的微控制器,提供了 CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART 和 USB 等接口,工作电压为 2 3.6 V,工作温度为-40 85 5。该芯片不仅支持裸机的 C 语言开发,还支持 Linux 操作系统,适用于低功耗低价格的物联网开发。(2)LoRa 模块设计的智慧实验室管理平台使用的 LoRa
5、通信模块为基于 SX1278 芯片的模组。SX1278 是一款远距离、低功耗的无线收发器,最低工作电流仅为 9 A,工作频率为 410 基于 LoRa 与 WiFi 的新型智慧实验室管理平台设计郭晓玲,李 玲,邹 昕(河北北方学院 信息科学与工程学院,河北 张家口 075000)摘 要:为了适应智慧校园的发展要求,设计了一个基于 LoRa 与 WiFi 的新型实验室管理平台。该管理平台由 LoRa 数据采集终端、WiFi 网关和移动 OneNET 服务器组成,不仅可以实现实验室日常环境温湿度检测、智能火情与防盗检测,还可以实现恒温恒湿、智能灯光与声音警示的远程控制。测试结果表明,该实验室管理平
6、台不仅能安全稳定地运行,而且实时响应速度快,可以有效地提高智慧校园的管理工作质量和效率。关键词:LoRa;WiFi;实验室管理;智能监控;智慧校园;OneNET 服务器中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2023)08-0064-04收稿日期:2022-12-06 修回日期:2023-01-04基金项目:2022年大学生创新创业训练计划项目(No:S20221009 2031)DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.0162023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission65525 MHz6,
7、符合我国工信部要求;最大发射功率为 20 dBm,最高灵敏度为-148 dBm,扩频因子为 6 12,空口数据速率为 0.018 37.5 Kb/s7,适用于低速率长距离传输的物联网开发。(3)WiFi 模块设计的智慧实验室管理平台的互联网无线通信模块为ESP8266 WiFi 模块。ESP8266 是一个可以独立运行,也能以slave 方式搭载在其他 Host 运行的自成体系的 WiFi 应用处理器,它支持 SoftAP、Station、SoftAP+Station 三种组网模式,具有 UART 透明传输和 UART 成帧机制8。它的工作温度为-40 120,工作电压为 3 3.6 V。(4
8、)传感器模块设计的智慧实验室管理平台的感知部分使用 DHT11 温湿度传感器、MQ-2 烟雾传感器和 HC-SR501 人体红外传感器。DHT11 温湿度传感器是含有数字信号输出校准的复合温湿度传感器,具有很高的可靠性和长期稳定性。MQ-2 烟雾传感器可用于天然气、氢气、酒精、烷、苯、烟雾等的探测,测量范围为 300 10 000 ppm,重复性好且稳定性强9。HC-SR501 人体红外传感器是基于红外技术的自动控制模块,采用 LHI778 探头设计,具有可靠性强、灵敏度高、全自动感应、多方式触发、感应封锁时间和工作电压范围宽等 特点10。2.2 节点设计(1)终端节点设计设计的智慧实验室管理
9、平台的终端节点,由主控制器模块 STM32F103RC、LoRa 模块 SX1278、温湿度传感器DHT11、烟雾传感器 MQ-2、人体红外传感器 HC-SR501、报警灯、蜂鸣器、空调控制器和加湿器控制器组成,负责数据采集、状态反馈和设备控制。温湿度传感器 DHT11、烟雾传感器 MQ-2、人体红外传感器 HC-SR501、报警灯、蜂鸣器、空调控制器和加湿器控制器分别连接到主控制器模块 STM32 的不同 IO 接口,连接情况见表 1 所列。终端节点上各种传感器采集的数据和各种设备及控制器的状态通过 LoRa 通信传到网关节点,由网关通过本地路由器转发到 OneNET 平台,推送到平台的应用
10、系统。表 1 传感器与 STM32 的接口说明传感器连接说明温湿度传感器 DHT113.3 V-VCC,GND-GND,PB9-OUT烟雾传感器 MQ-25 V-VCC,GND-GND,PB7-OUT人体红外传感器 HC-SR5015 V-VCC,GND-GND,PB6-OUT(2)网关节点设计本文设计的智慧实验室管理平台的网关负责转发终端节点到 OneNET 平台之间的数据和 OneNET 平台到终端节点的控制信息。网 关 由 主 控 制 器 模 块 STM32F103RC、LoRa 模 块SX1278 和 WiFi 模块 ESP8266 组成。LoRa 模块通过 STM32的 SPI2 与
11、主控制器模块实现数据交互,同时通过 STM32 的IO 口读取 LoRa 模块的状态。LoRa 模块与 STM32 连接的电路如图 2 所示。WiFi 模块连接 STM32F103RC 的 USART2,同时 WiFi 模块的复位引脚通过 STM32 的 IO 口进行控制。WiFi 模块和 STM32 的接口电路如图 3 所示。图 2 LoRa 模块与 STM32 的接口电路示意图图 3 WiFi 模块与 STM32 的接口电路示意图3 系统开发3.1 系统功能设计的智慧实验室管理平台具有自动控制和人工控制等多种控制方式,管理员不仅可以在 OneNET 平台上查看采集到的温湿度、烟雾浓度以及人
12、体红外感应、报警灯、蜂鸣器、空调和加湿器的数值或状态等信息,而且还可以对报警灯、蜂鸣器、空调和加湿器进行控制,实现恒温恒湿预警、智能灯光开关、智能火情预警与防盗预警等功能。具体功能如下:(1)采集实验室室内环境的温度和湿度值并传输给OneNET 平台;(2)设置实验室恒温恒湿的阈值范围,若超过阈值范围,由 OneNET 平台发信息提示,此时可远程开启空调或加湿器;(3)采集人体红外和烟雾传感器的值并传输给 OneNET平台;(4)设置烟雾阈值,若超过阈值则进行蜂鸣器报警,并给管理员发信息提示;(5)将蜂鸣器、报警灯、空调控制器和加湿器控制器的状态反馈给 OneNET 平台;(6)通过 OneN
13、ET 平台及时了解蜂鸣器、报警灯、空调控制器和加湿器控制器状态,实施远程管理。3.2 终端节点程序设计终端节点负责数据采集、设备状态反馈、设备控制物联网技术 2023年/第8期 可靠传输 Reliable Transmission66以及与网关的通信。程序设计分为各种传感器的驱动设计、控制设备驱动设计、LoRa 通信程序设计和网关主程序 设计。3.2.1 传感器驱动设计本文设计的智慧实验室管理平台使用的传感器包括温湿度传感器 DHT11、烟雾传感器 MQ-2 和人体红外传感器 HC-SR501。温湿度传感器 DHT11 为单总线访问,将其DATA 串行数据总线与 STM32 的 PB9 接口相
14、连,其驱动流程为:首先使能 PB 口时钟,选择 PB9 并设置为输出口,设置输出速度 GPIO_Speed 为 50 MHz,输出方式 GPIO_Mode为通用推挽输出;接着初始化 PB9,输出高电平,完成初始化;然后复位 DHT11,检测 DHT11 是否存在,如果 DHT11 存在,连续读取 5 字节(40 位)数据;如果读取的数据第 5 字节数据等于前 4 个字节数据之和,则从第 1 字节取出湿度的整数部分,从第 2 字节取出湿度的小数部分,从第 3 字节取出温度的整数部分,从第 4 字节取出温度的小数部分,返回读取的温湿度数据;如果数据校验不正确,继续读取直到读取到正确的温湿度数据。如
15、果 DHT11 不存在,返回温湿度值均为 0 的数据并显示错误。上述过程反复执行,不断读取温湿度数据。其他传感器的驱动程序设计与温湿度传感器 DHT11 的类似。3.2.2 控制设备驱动设计控制设备包含报警灯、蜂鸣器、空调控制器和加湿器控制器等。报警灯控制线连接 STM32 的 PC6 接口,其驱动程序设计如下:首先使能 PC 口时钟,选择 PC6 并设置为输出口,设置输出速度 GPIO_Speed 为 50 MHz,设置输出方式GPIO_Mode 为通用推挽输出;接着初始化 PC6,PC6 输出高电平,完成初始化;最后复位报警灯,检测报警灯是否存在;如果报警灯存在,设置报警灯初始状态为 0(
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