基于LoRa与WiFi的新型智慧实验室管理平台设计.pdf

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-SR501 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 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 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，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）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 OneNET 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（关闭），如果报警灯状态值为 1 时，报警灯闪亮。其他控制器的驱动程序设计与报警灯类似。3.2.3 LoRa 通信程序设计在终端节点和网关节点之间，通过 LoRa 进行通信。LoRa 模 块 的 SX1278 工 作 状 态 分 为 RFLR_STATE_IDLE、RFLR_STATE_RX_INIT、RFLR_STATE_RX_RUNNING、RFLR_STATE_RX_DONE、RFLR_STATE_RX_TIMEOUT、RFLR_STATE_TX_INIT、RFLR_STATE_TX_RUNNING、RFLR_STATE_TX_DONE、RFLR_STATE_TX_TIMEOUT、RFLR_STATE_CAD_INIT、RFLR_STATE_CAD_RUNNING，共 11 种状态。配置 SX1278 模块使用结构体 tLoRaSettings 进行参数设置，具体参数设置见表 2 所列。表 2 结构体 tLoRaSettings 的参数设置参 数值工作频率/MHz450功率/dB20带宽/kHz512扩频因子128前导码长度/字节10CRC 校验True接收模式0（连续）发送超时时间/ms2 000接收超时时间/ms2 000负载信息长度128LoRa 模块发送数据时，首先需要初始化 SPI，按照tLoRaSettings 结构体参数的设置配置 SX1278 参数并复位，完成 SX1278 的初始化，进入 LoRa 标准模式；接着初始化发送模式，准备好发送温度、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数据，OneNET 平台返回的控制数据，并写入 FIFO 进行发送；发送过程中，判断数据是否发送完成，如果发送完成则返回到标准模式，否则继续发送。当所有数据发送完成，表明完成了一个发送流程，再次进入 LoRa 标准模式，准备发送下一次的数据。LoRa 模 块 接 收 数 据 时，首 先 初 始 化 SPI，按 照tLoRaSettings 结构体参数的设置配置 SX1278 参数并复位，完成 SX1278 的初始化，进入 LoRa 标准模式；接着初始化接收模式并选择连续接收模式；处于连续接收模式后，一直等待 RxDone 中断；出现 RxDone 中断表明接收完成；然后检查 PayloadCrcError 标志，如果数据包不完整，继续等待RxDone 中断，否则读取 FIFO，取得 Payload；完成本次读取后，等待 RxDone 中断，接收下一次发来的数据。3.2.4 网关节点主程序设计网关节点的 LoRa 模块接收终端节点 LoRa 模块发送的数据，同时转发 OneNET 平台应用系统下发的控制信息到终端节点。网关节点通过 WiFi 模块 ESP8266 连接本地路由器，实现与 OneNET 平台的连通。网关节点主程序流程如图 4 所示。4 系统测试在 OneNET 平台注册帐号并实名认证后，创建产品，使用 MQTT 协议，自动生成产品 ID（557592）；然后在该产品下添加设备，为设备命名，自动生成设备 ID（1016530613）和设备鉴权信息（即 APIKey）；根据产品 ID、设备 ID 及设2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission67备鉴权信息修改网关节点主程序的 MQTT 配置文件；根据网关节点所连接的无线路由器的 SSID 和密码，修改网关节点 WiFi 模块 ESP8266 的初始化配置文件；在 Keil 开发环境中烧写终端节点和网关节点，将各种传感器和控制器连接到终端节点相应的 IO 接口，接着为网关节点和终端节点上电，进行硬件测试。在网关节点的 LCD 屏上显示终端节点上连接的传感器发来的数据：温度为 22，湿度为 18，人体红外传感器的值为 0（表明在检测范围内没有人经过），烟雾传感器的状态值为 0（表明室内烟雾没有超出设定范围），蜂鸣器、报警灯、空调控制器、加湿器控制器的状态值为 0，即处于关闭状态。图 4 网关节点主程序流程在 OneNET 平台创建数据流模板，为温度传感器、湿度传感器、蜂鸣器、报警灯、人体红外传感器、烟雾传感器、空调控制器、加湿器控制器创建数据流，即可在“OneNET平台设备列表数据流量展示”中看到终端节点的数据和设备的状态。图 5 为 OneNET 平台数据流量展示中终端节点的数据和状态。其中温度和湿度的值分别为 22 和 18，其他状态值均为 0。接着在 OneNET 平台为温度、湿度、人体红外感应和烟雾传感器设置触发器，当温度、湿度和烟雾超过设定的阈值或人体红外传感器改变数值时，触发信息发送。在 OneNET 平台应用管理中，新建应用，创建智慧实验管理平台，界面如图 6 所示。在智慧实验管理平台上实时显示终端节点（设备 ID 为 1016530613）上传的温度、温度，烟雾传感器和人体红外传感器当前值以及蜂鸣器、报警灯、空调控制器、加湿器控制器状态值。当达到人体红外传感器能够检测到的范围时，即可在智慧实验室管理平台看到人体红外显示异常，且蜂鸣器和报警灯的触发器被触发，同时发送信息给管理人员，此时平台界面上的蜂鸣器和报警灯处于打开状态。当前湿度较低，从平台界面按下加湿器按钮，加湿器开始工作，并且加湿器状态呈现打开状态。通过创建的智慧实验管理平台，可使用 PC 或手机实现对实验室进行远程管理。图 5 OneNET 平台数据流量展示图 6 智慧实验室管理平台界面5 结 语本文的智慧实验室管理平台基于低功耗的 STM32 开发，采用 LoRa 与 WiFi 通信技术，与 OneNET 云平台互联。通过温湿度传感器、人体红外传感器、烟雾传感器和设备控制器等，在实验室内温度或烟雾异常的情况下给管理员发送报警信息，并配合实验室内的蜂鸣器和报警灯及时进行报警，为相关单位扑救争取时间；通过人体红外传感器进行空间监测，实现非工作时间段的防盗报警并远程通知管理员；另外，还可以实时监测室内环境温湿度。该管理平台大大提高了实验室管理工作的效率和安全保障。参考文献1 李智超.基于物联网技术的智慧实验室云平台 J.电子技术与软件工程，2021，10（18）：162-163.2 沈正，粱鉴如，杨明来.基于 LoRa 和 STM32 的电梯监测系统设计 J.传感器与微系统，2022，41（5）：102-105.3 范华峰，陈桢.一种基于 LoRa 通信的机房环境检测与控制系统 J.物联网技术，2021，11（5）：6-7.4 李彤，李博，常成.基于 LoRa 技术的智能灯控系统设计 J.计算机工程与设计，2019，40（3）：678-684.5 刘念源，刘翼，杨杰.基于 STM32F103 的智慧实验室环境巡查系统设计 J.电子测试，2020，27（20）：54-56.6 张天立，杨宏业.基于 LoRa 的远程温室大棚环境监测系统 J.内蒙古工业大学学报（自然科学版），2019，38（6）：446-453.（下转第71页）2023年/第8期 物联网技术可靠传输 Reliable Transmission71位于区域中心的系统，PEDAP-PA 是性能最佳的算法，它为第一个节点提供了最佳寿命，同时为最后一个节点提供最佳寿命。图 4 100 m100 m 网络中节点死亡时间（基站远离区域中心）图 5 100 m100 m 网络中节点死亡时间（基站位于区域中心）5 结 语本文针对如何优化数据采集路由算法以提高无线传感网络寿命，提出了 PEDAP 和 PEDAP-PA 两种基于最小生成树的路由算法。通过仿真分析表明，本文算法性能良好。PEDAP 通过为每一循环通信构建最小能耗路由，优于先前的 LEACH 和 PEGASIS 方法，PEDAP-PA 将其进一步扩展，并尝试平衡节点之间的负载。在将负载均匀分布到节点的同时最小化系统的总能量，对系统寿命有很大影响。值得注意的是，当基站位于场地内时，我们的协议也表现良好。除直接传输外，目前还没有针对这种情况的方法。另外，仿真结果表明，基站的位置对网络寿命有很大影响，并且可以直观看到基站的数量也会影响寿命。未来可以全面研究这些参数对系统寿命的影响。参考文献1 张其远.支持网络融合的无线传感网低功耗路由协议设计与实现D.太原：中北大学，2021.2 刘泽凡.无线传感网中使用无速率码的路由算法的研究 D.合肥：中国科学技术大学，2021.3 周颖.无线传感网中高能效数据汇聚关键算法研究 D.南京：南京邮电大学，2020.4 崔忠伟.无线传感网节能分簇路由协议研究 D.贵阳：贵州大学，2020.5 谭松鹤，覃琪.无线传感网中反馈的分簇路由和网络覆盖优化路径分析 J.质量与市场，2020，40（10）：63-65.6 陶洋，王进，潘蕾娜，等.能量获取无线传感网能耗均衡分簇路由算法 J.微电子学与计算机，2019，36（10）：83-90.7 任秀丽，陈洋.无线传感网中数据传输延时优化的路由协议 J.计算机应用，2020，40（1）：196-201.8 李亚君.基于局域控制的软件定义无线传感网路由技术研究 D.北京：北京邮电大学，2019.9 王一搏.无线传感网的节点调度和路由技术研究 D.北京：北京邮电大学，2019.10 潘玉兰，刘广聪.一种能量高效的无线传感网分簇路由算法 J.计算机应用研究，2020，37（9）：2827-2830.11 卢允伟，程杰，万锦昊，等.一种移动无线传感网的移动感知数据路由算法 J.现代信息科技，2019，3（15）：172-175.12 刘洋，姜海波，王峥，等.节能感知的无线传感网接入控制与路由优化策略 J.计算机工程，2020，46（5）：230-239.13 王凯.基于划分聚类的无线传感网分簇路由算法研究 D.扬州：扬州大学，2019.14 张雅琼，张慧，林基艳.基于 K-Means 聚类的无线传感网分层路由算法研究 J.榆林学院学报，2018，28（6）：101-104.15 李新炜.基于簇状结构的无线传感网多径路由协议研究 J.计算机仿真，2018，35（3）：205-209.7 张晨光，黄兆波，范世达，等.基于嵌入式 LoRa 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