褚云霞， 張 軍

(石家莊學(xué)院 a.美術(shù)學(xué)院； b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050035)

隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和教育領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.物聯(lián)網(wǎng)是人與人、人與物、物與物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[1]，到2020年，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)能市值將達(dá)到2萬(wàn)億元以上，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，提升社會(huì)公共服務(wù)能力具有重要的意義[2].

物聯(lián)網(wǎng)信息通過(guò)傳感器采集，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用控制端形成一個(gè)閉環(huán).目前，生產(chǎn)傳感器的廠家往往只給出接口和協(xié)議，客戶(hù)則要根據(jù)實(shí)際情況，增加采集傳輸模塊或開(kāi)發(fā)修改應(yīng)用軟件，而這無(wú)疑會(huì)增加使用成本，延長(zhǎng)部署時(shí)間；所有物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的微控制器(MCU)、傳感器、無(wú)線(xiàn)設(shè)備和制動(dòng)器等都需要電源來(lái)滿(mǎn)足運(yùn)行要求；物聯(lián)網(wǎng)上每個(gè)傳感器都會(huì)按一定的周期采集、傳輸信息，其傳輸方式為有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)，相互之間的連通標(biāo)準(zhǔn)、功耗、傳輸距離、組網(wǎng)方式、傳輸技術(shù)和資費(fèi)等各不相同，缺少統(tǒng)一平臺(tái)[3].

鑒于以上情況，本文擬開(kāi)發(fā)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)通用產(chǎn)品，從而降低信息采集成本，使其低功耗運(yùn)行，節(jié)省傳輸費(fèi)用.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在私有廣域網(wǎng)中，利用門(mén)思(ManThink)科技公司OM系列模組與低功耗傳感器芯片系統(tǒng)集成的方法，采用低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)PWAN)技術(shù)中的NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))模組和LoRa模組構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)，在感知層采用門(mén)思科技低功耗窄帶LoRa通信設(shè)備，在應(yīng)用層利用阿里云IoT(物聯(lián)網(wǎng))的LinkWAN進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和指令的下傳，采集部分包括空氣溫濕度、陀螺儀、GPS、光照強(qiáng)度、地磁、水浸、煙感、防盜、二氧化硫、噪聲等10種以上傳感器信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)一個(gè)模塊就可完成信息采集和傳輸，降低功耗和成本.系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1.

此系統(tǒng)在應(yīng)用層能配合LoRaWAN進(jìn)行更大范圍的組網(wǎng)，還能配合阿里公司的消息隊(duì)列技術(shù)進(jìn)行信息采集和設(shè)備控制.

LoRa終端節(jié)點(diǎn)：為該系統(tǒng)的最末端設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及和網(wǎng)關(guān)的通信交互.

LoRa網(wǎng)關(guān)：LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，主要進(jìn)行LoRaWAN局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信交互、數(shù)據(jù)加解密、雙向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等工作.

LinkWAN后臺(tái)：阿里云基于IoT的應(yīng)用前景而開(kāi)發(fā)的一款綜合性管理系統(tǒng)，能降低用戶(hù)處理IoT應(yīng)用業(yè)務(wù)的技術(shù)難度，其中，通信口業(yè)務(wù)是整個(gè)后臺(tái)業(yè)務(wù)的核心.

業(yè)務(wù)后臺(tái)：為解決實(shí)際問(wèn)題而組建的后臺(tái)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，通過(guò)LinkWAN的服務(wù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的雙向流通.

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 終端硬件設(shè)計(jì)

利用門(mén)思科技OMx02模組集成了一款低功耗的單片機(jī)(KL17x CortexM0+內(nèi)核)和支持?jǐn)U頻調(diào)制的射頻前端(SX1276/SX1278).OMx02將MCU的硬件資源(GPIO，SPI，IIC，UART)開(kāi)放給開(kāi)發(fā)者，以方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品一次性開(kāi)發(fā)的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的成本.基于OMx02的門(mén)思科技提供自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Man-Pregnante Operating System(MPOS)及配套的LoRa/LoRaWAN協(xié)議棧(LWS)，即MPOS+LWS,可以快速實(shí)現(xiàn)LoRa/LoRaWAN更多、更豐富的應(yīng)用.

MPOS+LWS以lib文件的形式提供，用戶(hù)可以通過(guò)OMx02的硬件資源(SPI，IIC,UART，GPIO)和MPOS+LWS庫(kù)文件快速設(shè)計(jì)出自己需要的LoRaWAN/LoRa傳感器.MPOS+LWS具有以下特性：兼容LoRaWAN Class A,Class B,Class C 協(xié)議( LoRaWAN1.0.2)，為全球唯一的64位標(biāo)識(shí)碼(EUI-64TM)，集成了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(MPOS)，有簡(jiǎn)單易用的周期性任務(wù)和豐富的外設(shè)接口(SPI，IIC，UART，GPIO).其硬件特性見(jiàn)表1.

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.

2.1 信號(hào)采集模塊

利用MCU擴(kuò)展接口GPIO，IIC，SPI，UART與市面上現(xiàn)成的傳感器相連，實(shí)現(xiàn)信息采集.

表1 MPOS+LWS的硬件特性

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)電量采集模塊

通過(guò)使用帶RS485接口的電量檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)檢測(cè)供電的質(zhì)量.當(dāng)數(shù)值超過(guò)安全電源要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，以便管理員采取措施.管理員可以通過(guò)供電參數(shù)的歷史曲線(xiàn)了解用戶(hù)的實(shí)際供電品質(zhì)，為周邊供電管理提供科學(xué)依據(jù)[4].

(2)門(mén)禁信號(hào)采集模塊

使用帶RS485接口的監(jiān)控服務(wù)器對(duì)重要場(chǎng)所的門(mén)實(shí)施門(mén)禁進(jìn)出監(jiān)測(cè).

(3)燈信號(hào)采集模塊

通過(guò)光照傳感器設(shè)定閾值，來(lái)確定重要場(chǎng)所的燈是否關(guān)閉.

(4)水浸信號(hào)采集模塊

在可能造成漏水的區(qū)域安裝漏水感應(yīng)設(shè)備，一旦有水泄漏，就會(huì)將信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控服務(wù)器上.

(5)溫度信號(hào)采集模塊

采用美國(guó)美信半導(dǎo)體推出的DS18B20高精度溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)LoRa遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控.

(6)煙霧信號(hào)采集模塊

使用帶RS485接口的煙感探測(cè)儀對(duì)重要場(chǎng)所的煙霧進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2.2 電源模塊

傳感器設(shè)備往往需要電池供電.在LoRa的信號(hào)調(diào)制上，采用低功耗的FSK(頻移鍵控)調(diào)制方法設(shè)計(jì)供電模塊，實(shí)現(xiàn)為傳感器供電.OMx02模塊的工作電壓為2.6～3.6 V；在數(shù)據(jù)通信狀態(tài)下，電流約13 mA；在沒(méi)有數(shù)據(jù)包傳輸?shù)那闆r下，模塊電流僅為3 μA.

3 終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

采集模塊的軟件在IAR編譯環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，整體流程見(jiàn)圖3.

OMx02的SDK(Software Development Kit，軟件開(kāi)發(fā)工具包)由庫(kù)文件MPOS_LWSx02V1.0.a)、頭文件和基于EWARM的工程文件構(gòu)成，SDK提供的API函數(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)函數(shù)、MPOS系統(tǒng)函數(shù)和LoRaWAN功能函數(shù)的操作.

MPOS使用基于消息機(jī)制的模式通知用戶(hù)相關(guān)事件，由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理系統(tǒng)的事件和用戶(hù)的任務(wù).

3.2 主要功能

(1)狀態(tài)上報(bào)

報(bào)警器會(huì)自動(dòng)上傳自身的狀態(tài)信息.狀態(tài)信息包含當(dāng)前電池的電量和自身設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài).

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端軟件流程圖

(2)警情上報(bào)

當(dāng)報(bào)警器探測(cè)到火災(zāi)警情后，會(huì)立即將報(bào)警信號(hào)傳送至后臺(tái).

(3)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)報(bào)警器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生電池電量低或者設(shè)備損壞的情形時(shí)，及時(shí)為管理員和用戶(hù)示警.

(4)故障探測(cè)

當(dāng)終端超時(shí)數(shù)倍(可設(shè)置)狀態(tài)上報(bào)時(shí)間還沒(méi)有上報(bào)自身狀態(tài)信息時(shí)，認(rèn)為設(shè)備通信異常(失聯(lián))，系統(tǒng)會(huì)通知管理員.

(5)終端定位

每個(gè)終端的安裝位置可以在地圖上呈現(xiàn).這需要在終端建檔時(shí)錄入地圖坐標(biāo).

(6)多媒體呈現(xiàn)

在地圖上選擇某個(gè)終端時(shí)，瀏覽器可以呈現(xiàn)當(dāng)前終端的基本信息，如電池電量、運(yùn)行狀況、信號(hào)質(zhì)量、最后上報(bào)時(shí)間，并通過(guò)醒目顏色區(qū)分正常終端和非正常終端.

(7)警情推送

當(dāng)終端上報(bào)警情后，后臺(tái)可將信息推送給管理員和用戶(hù)，同時(shí)在地圖上也會(huì)優(yōu)先突出顯示報(bào)警終端.

(8)數(shù)據(jù)讀取

后臺(tái)管理者可以針對(duì)一個(gè)終端或者多個(gè)終端手動(dòng)獲取報(bào)警器的狀態(tài)信息.手動(dòng)選擇多個(gè)報(bào)警器時(shí)，復(fù)選項(xiàng)要科學(xué)、合理，如在地圖上選擇某一區(qū)域內(nèi)的報(bào)警器、最近一段時(shí)間(可設(shè)置)內(nèi)沒(méi)有上報(bào)狀態(tài)數(shù)據(jù)的報(bào)警器等等.篩選功能的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行長(zhǎng)期迭代.

(9)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以某一時(shí)間段和區(qū)域?yàn)檫x擇篩選項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)報(bào)警器的狀態(tài)數(shù)據(jù)和警情信息，包含終端通信次數(shù)、終端報(bào)警(警情)次數(shù)和終端異常狀態(tài)統(tǒng)計(jì)次數(shù).

4 應(yīng)用層數(shù)據(jù)接收和指令發(fā)送服務(wù)

監(jiān)控系統(tǒng)首先利用傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)LoRa窄帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；服務(wù)端利用阿里云公司LinkWAN物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)可通過(guò)移動(dòng)終端和電腦進(jìn)行瀏覽和控制.系統(tǒng)的控制指令通過(guò)LinkWAN物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)調(diào)用消息隊(duì)列完成，如圖4所示.

圖4 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)調(diào)用消息隊(duì)列截圖

阿里云在2017年開(kāi)發(fā)了支持企業(yè)網(wǎng)站建設(shè)LoRa協(xié)議的LinkWAN物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，它通過(guò)消息隊(duì)列 RocketMQ中間件實(shí)現(xiàn)分布式集群技術(shù)，提供消息訂閱和發(fā)布、消息軌跡查詢(xún)、資源統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控報(bào)警等一系列消息云服務(wù).消息隊(duì)列 RocketMQ是阿里巴巴“雙11”使用的核心產(chǎn)品，是阿里云正式的商用產(chǎn)品.目前，阿里云可提供高可靠、高可用的消息云服務(wù)，單個(gè)域內(nèi)可采用多機(jī)房部署，可用性極高，即使整個(gè)機(jī)房設(shè)施都不可用，它也可以為應(yīng)用提供消息發(fā)布服務(wù).

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于阿里云LinkWAN服務(wù)和門(mén)思科技LoRaWAN通信設(shè)備開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，具有成本低，無(wú)需布線(xiàn)，設(shè)備小巧，功耗極低等特點(diǎn)，克服了以往采集成本高，布線(xiàn)困難和電源維護(hù)困難等問(wèn)題，為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供了一種低成本解決方案.