基于LoRa的無(wú)線安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊軍洲

摘 要：文章提出了一種基于LoRa的無(wú)線安防控制系統(tǒng)，由RFID、紅外檢測(cè)、門(mén)禁系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)，主控單元、LoRa節(jié)點(diǎn)、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器和客戶端組成，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并控制遠(yuǎn)端安防設(shè)施，部署方便、易于擴(kuò)展、價(jià)格低廉，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：LoRa;無(wú)線安防;門(mén)禁系統(tǒng)

目前的安防系統(tǒng)大多數(shù)是基于有線通信的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有初裝費(fèi)用高、施工時(shí)間長(zhǎng)、擴(kuò)展困難等缺點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有易于安裝、擴(kuò)展靈活、方便移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，如WiFi，藍(lán)牙、Zigbee等，以及廣域網(wǎng)技術(shù)2G/3G/4G等無(wú)線技術(shù)，不能同時(shí)兼顧遠(yuǎn)距離和低功耗[1-2]。LoRa是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng)[3]。LoRa工作在免授權(quán)的Sub-Ghz頻段上[4]，企業(yè)可以參與到LoRa的產(chǎn)品應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)公網(wǎng)泄漏出去，對(duì)自身的數(shù)據(jù)安全有著重要的意義且不需要繳納運(yùn)營(yíng)商的費(fèi)用。

本文結(jié)合LoRa技術(shù)通信距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了基于LoRa技術(shù)的無(wú)線安防控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，能實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)控制遠(yuǎn)端安防設(shè)施。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由RFID、紅外檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)和主控單元組成前臺(tái)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)用戶信息識(shí)別、未授權(quán)入侵檢測(cè)以及控制門(mén)禁系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)等，同時(shí)主控單元將用戶信息或入侵信號(hào)通過(guò)LoRa節(jié)點(diǎn)以遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的方式發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后通過(guò)以太網(wǎng)上報(bào)給LoRa服務(wù)器，服務(wù)器處理收到的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)后，將其傳輸給客戶端。客戶端可以監(jiān)測(cè)前臺(tái)子系統(tǒng)，為應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，客戶端可對(duì)前臺(tái)進(jìn)行一鍵鎖定/一鍵解鎖遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)組成

2.1 RFID模塊

實(shí)現(xiàn)安防檢查的身份識(shí)別及對(duì)應(yīng)的時(shí)間記錄，通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)射頻讀卡器識(shí)別RFID電子標(biāo)簽中的用戶信息，將用戶信息傳至主控單元。

2.2 紅外檢測(cè)模塊

主要是連接在主控單元上的人體紅外檢測(cè)傳感器，通過(guò)檢測(cè)人發(fā)出的特定波長(zhǎng)紅外線，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，主控單元檢測(cè)到此信號(hào)后根據(jù)讀取的RFID信息決定是否報(bào)警及是否將報(bào)警信息發(fā)送給客戶端。設(shè)計(jì)采用的人體紅外檢測(cè)傳感器為HC-SR501，是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

2.3 門(mén)禁系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)

接收來(lái)自主控單元的指令，控制門(mén)禁的鎖定與解鎖，當(dāng)RFID信息正確時(shí)門(mén)禁解鎖，否則保持鎖定狀態(tài)。如有強(qiáng)行闖入或RFID信息連續(xù)多次無(wú)效的情況，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)在主控單元的控制下產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。門(mén)禁系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)還受客戶端遠(yuǎn)程控制，如遇特殊情況，客戶端可遠(yuǎn)程控制解鎖、鎖定和報(bào)警等。

2.4 主控單元

接收并處理RFID模塊和紅外檢測(cè)模塊上報(bào)的信息，完成授權(quán)識(shí)別和人數(shù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)生解鎖信號(hào)，控制門(mén)禁系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)，將RFID信息和紅外檢測(cè)情況通過(guò)LoRa通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送給客戶端，以便后臺(tái)監(jiān)測(cè)。同時(shí)存儲(chǔ)身份信息及對(duì)應(yīng)的解鎖時(shí)間，根據(jù)客戶端遠(yuǎn)程控制完成一鍵鎖定和一鍵解鎖。

2.5 LoRa節(jié)點(diǎn)

采用SEMTECH的擴(kuò)頻芯片SX1278，SX1278是一款高性能、低功耗、遠(yuǎn)距離的微功率無(wú)線模塊，主要采用LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，用于超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強(qiáng)，能夠最大限度降低電流消耗，SX1278可獲得超過(guò)-148dBm的高靈敏度。

LoRa節(jié)點(diǎn)與主控單元之間采用SPI通信，由SX1278支持的通信方式所決定的。LoRa節(jié)點(diǎn)以無(wú)線的方式將主控單元和LoRa網(wǎng)關(guān)連接起來(lái)，負(fù)責(zé)信息的遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)。

2.6 LoRa網(wǎng)關(guān)

數(shù)據(jù)的匯聚中心，負(fù)責(zé)LoRa節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)發(fā)，可以與多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)相連，同時(shí)LoRa網(wǎng)關(guān)使用IP通信與上層LoRa服務(wù)器連接?？梢詫?duì)多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，接收多個(gè)不同LoRa節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)，解析轉(zhuǎn)發(fā)給LoRa服務(wù)器，或接收LoRa服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)，下發(fā)給多個(gè)不同的LoRa節(jié)點(diǎn)。

2.7 LoRa服務(wù)器

對(duì)遠(yuǎn)程安防數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，并將處理結(jié)果傳送至客戶端，也可以接收客戶端的一鍵解鎖或一鍵鎖定指令，通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸給前端子系統(tǒng)，此外，還負(fù)責(zé)LoRa網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密和解密、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

2.8 客戶端

遠(yuǎn)程監(jiān)控前臺(tái)子系統(tǒng)，當(dāng)部署多處前臺(tái)子系統(tǒng)時(shí)，客戶端以布局圖或編號(hào)的方式顯示各處安防狀態(tài)。通過(guò)客戶端軟件，用戶可以直觀地查看RFID讀取的人員身份信息及打卡時(shí)間，如有人員強(qiáng)行闖入，客戶端軟件會(huì)收到紅外檢測(cè)發(fā)送的報(bào)警信號(hào)，此外可根據(jù)前方具體情況，設(shè)置一鍵鎖定和一鍵解鎖功能，遠(yuǎn)程控制門(mén)禁系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)LoRa技術(shù)低功耗、遠(yuǎn)距離、部署簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的無(wú)線安防控制系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)距離無(wú)線通信傳輸用戶信息，無(wú)需傳統(tǒng)的有線連接;支持入侵檢測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警，支持遠(yuǎn)程解鎖、鎖定和報(bào)警等功能。此外，可同時(shí)部署多處前臺(tái)子系統(tǒng)，通過(guò)LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器連接至客戶端，具有安裝方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能滿足多樣化的場(chǎng)景需求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭浩.LoRa技術(shù)在低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[J].信息通信技術(shù)，2017，11（1）：19-26.

[2]楊磊，梁活泉，張正等.基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信技術(shù)，2017，11（1）：40-46

[3]施金磊，高谷剛.基于LoRa技術(shù)的家庭物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，10：218-220.

[4]趙靜，蘇光添.LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動(dòng)通信，2016，40（21）：50-57.