基于LoRa物联网技术的实验室安全监测系统的设计与实现

刘辉席，杨 祯，朱 珠，刘守印

基于LoRa物联网技术的实验室安全监测系统的设计与实现

刘辉席1，杨 祯2，朱 珠1，刘守印1

（1. 华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079；2. 中南财经政法大学 金融学院，湖北 武汉 430073）

考虑高校实验楼布局复杂、实验室面积大且位置相对分散等特点，采用具备长距离、大容量、低功耗、低成本等特点的LoRa（long of range）无线通信技术，设计并实现了一套基于LoRa技术的实验室安全监测系统。该系统由LoRa节点、LoRa网关、服务器、展示终端或手机4部分组成。该系统部署方便，无需对实验室改造，成本低廉、报警及时，具有很强的实用性。

LoRa技术；实验室安全；监测系统

随着高校教育事业的发展和科技创新能力的提升，高校实验室数量明显增加，规模不断扩大[1]。实验室作为实验教学、科学研究、比赛培训的重要基地，不仅是培养学生实践能力、创新能力、综合素质的必备场所[2]，同时也是高校人财物高度集中、安全事故易发的重要部位[3]。2008年3月13日，某校一木制办公大楼失火，10多个实验室全部被毁，损失惨重[4]；上海某高校实验楼2009年多次发生失窃案件，窃贼夜间翻越楼梯防护窗进入二楼阳台，再撬开窗户爬入实验室，多台笔记本电脑被盗[5]。这种实验室火灾、盗窃等安全事故屡发，且近年来愈演愈烈。实验室事故不仅打乱了学校正常的教学、科研秩序，更重要的是造成了国家财产损失和人员伤亡[6]。物联网技术的快速发展为实验室的安全问题带来了新的解决方案，主要包括：基于视频监控的方式，该方式未对图像实时处理，仍需人工盯守，安全事故报警的实时性不高，只能作为事后查看的参考依据，不能事前预警[7]；若对视频实时解析并处理，则需要高配置的服务器，成本高昂[8]；基于RS485总线方式的系统需要重新布线，消耗大量的人力物力财力；基于ZigBee技术的方式通信距离近，对于大型实验室有一定的局限性。

本文考虑高校实验室占用面积大、位置相对分散、安全因素众多等特点，结合LoRa技术通信距离远、功耗低、成本低、代码开源等优势，设计并实现了基于LoRa物联网技术的实验室安全监测系统。该系统部署简单，无需重新布线且能实时监测、及时报警，具有较强的针对性和实用性。

1 LoRa技术

LoRa技术是由Semtech公司开发，工作在1 GHz以下，提供868 MHz、915 MHz、433 MHz 3个频段[9]，专为长距离、大容量、低功耗通信设计的新型无线通信技术[10]。LoRa采用Chirp扩频调制技术，支持可变/自适应数据速率，在保持恒定带宽的同时，能够在覆盖范围、稳定性、功耗之间进行权衡[11]。

LoRa技术相对于其他无线技术的优势在于远距离传输、低功耗以及高达0.3~50 kbs的数据传输速 率[12]，大大增强了通信质量以及网络容量，同时LoRa信号对于建筑的穿透能力很强，这使得其更适合于大规模物联网部署。特殊扩频技术使得其通信链路预计达到15 km左右，接收电流仅10 mA，大大提高了电池使用时间[13]。基于LoRa的扩频芯片，可以实现节点与网关直接组网连接，构成星型网络架构，与网状网络架构相比，它是具有最低延迟、最简单的网络结构[14]。同时，为了推动LoRa技术的大规模应用，2015年3月LoRa联盟成立，联盟成员包括各国电信运营商、系统开发商、设备制造商、芯片厂商、传感器厂商等，联盟成员分布全球各地[15]。

2 系统总体设计

本系统由LoRa节点、LoRa网关、服务器、手机或计算机4部分组成，整体框图如图1所示。LoRa节点包括温湿度检测节点、烟雾报警节点、门禁检测节点、水浸检测节点4类，布署在不同的实验室内，对相应实验室的温湿度、烟雾、门窗开关、是否漏水进行感知，并将采集到的数据通过LoRa无线传至LoRa网关。所有节点均使用电池供电、无线传输，安装方便，无需对实验室进行改造，易于部署。

图1 系统整体框图

LoRa网关实现对LoRa节点的管理，收集各节点数据并进行数据解析与转发，每栋实验楼可根据实际情况安装1个或多个LoRa网关。由于目前大多数高校的校园网已覆盖，不同实验楼的网关可通过以太网将数据汇总至LoRa服务器。LoRa服务器对数据进行存储与处理，实验室管理员可通过手机端的APP查看某一实验室的温湿度、烟雾、门禁、水浸等是否正常，一旦发生火灾、盗窃、漏水等安全事故，会立即以短信或邮件的形式通知实验室管理员，以便及时采取有效措施。同时还提供实验室安全监测展示功能，实验室管理员可通过展示终端对某一实验楼所有实验室的安全情况有一个整体的了解。

本系统可实现对实验楼所有实验室的温湿度、火灾、盗窃、漏水等安全事故24 h的实时监测，无需人工看守，一旦发现异常，立即报警，在极短的时间采取有效措施，将事故的危害降到最低，同时部署安装方便，无需对实验室进行改造，成本低、实用性强。

3 系统搭建

系统主要包括LoRa节点、LoRa网关与服务器、展示终端与手机APP。

3.1 LoRa节点

3.1.1 温湿度检测节点

实验室作为实验教学、科学研究的重要场所，其内的大部分仪器设备、化学试剂、动植物标本等的存放对于温湿度有较高的要求，一旦发生仪器散热不佳、通风不良等情况可能会导致实验室内温湿度的异常，造成设备及材料的损坏。本系统设计了一款温湿度检测节点实现对实验室温湿度的实时监测，一旦发现温湿度不在设定的正常范围内，即可调节空调、抽湿机以保证正常的环境，延长仪器设备的使用年限。温湿度检测节点的实物图见图2。

3.1.2 烟雾报警节点

火灾报警作为实验室安全的一个重要部分，传统的烟雾报警器在发生火灾后通常只能进行本地声光报警，但如果实验室处于无人值守的情况，该报警就失去了意义。本系统设计的烟雾报警节点对当前环境是否有烟进行实时监测，一旦发生火灾立即实现本地声光报警并将报警信息上传至LoRa网关进行远程报警，以便于管理人员和消防人员采取相应措施，这将很大程度地减少火灾造成的财产损失。烟雾报警节点的实物图见图3。

图2 温湿度检测节点实物图

图3 烟雾报警节点实物图

3.1.3 门禁检测节点

实验室安全事故中盗窃案件屡见，造成了大量的财务被盗，损失惨重，实现对门窗开关的实时监测尤为重要。本系统设计了一款安装于门窗上的门禁检测节点，一旦发现门窗开关状态异常，立即上报至LoRa网关，以短信和邮件的形式通知管理人员及时查看。该类节点的使用，可大大降低管理人员日夜看守的繁琐性，加强安全管理。门禁检测节点的实物图见图4。

图4 门禁检测节点实物图

3.1.4 水浸检测节点

水浸检测节点可以实现对实验室内是否漏水进行检测，当发生漏水时，节点会立即将异常信息上传，从而通知管理员以及时采取措施对实验室财产进行保护，以免发生因漏水引起的电失火、网络瘫痪等严重性问题。水浸检测节点的实物图见图5。

3.2 LoRa网关与服务器

在通信覆盖范围内，LoRa网关对LoRa节点进行管理，其将各类节点的监测信息通过以太网的方式转发至服务器。由于LoRa技术穿透性强、通信距离远，单个网关即可实现对多层楼甚至一栋楼内所有实验室的LoRa节点的管理。LoRa服务器对数据进行及时处理与存储，并提供给展示终端与手机APP进行展示。同时，服务器还具备异常情况的报警功能，当发生温湿度异常、有烟、门窗状态异常、漏水等情况时，服务器将及时发送报警短信和邮件至实验室管理人员。LoRa网关的实物图见图6。

图5 水浸检测节点实物图

图6 LoRa网关实物图

3.3 展示终端与手机APP

系统提供2种展示方式：网页展示终端（见图7）和手机APP端（见图8）。

网页展示端以布局图的方式展示出各实验室的信息，用户可以直观方便地在界面上查看温湿度、烟雾、门禁、水浸等信息。一旦实验室发生温湿度异常、有烟、门窗开关状态异常、漏水等情况时，展示端界面立即出现报警提示，并发出声音报警。该终端可放置在实验楼大厅、值班室等地方。

图7 网页展示终端

与此同时，为了方便实验室管理人员下班期间查看实验室情况，本系统还具有手机APP查看功能。如图8所示，手机APP端采用表格形式详细列出了各楼层各实验室温湿度、烟雾、门禁等安全信息。管理人员除了添加管理节点、设置温湿度报警阈值外，还可以添加报警提示邮箱及电话，当发生异常情况时，手机端将进行报警提醒，服务器也会向APP端预先设置的手机号及邮箱发送报警信息。手机APP端的应用将大大提高实验室在无人值守情况下的安全性。

图8 手机APP端

4 结语

针对目前实验室环境安全信息监测不到位，当发生火灾、盗窃、漏水等事故不能及时发现等问题，同时考虑现存解决方案存在的布线繁琐、功能性差等缺点，本文充分利用LoRa技术低功耗、远距离、大容量等各项优势，完成了一款实验室安全监测系统的设计。本系统提供实验室内温湿度、烟雾、门禁、水浸等信息实时监测与查看，发生异常及时报警等功能。同时，相较于传统的实验室安全监测方案，本系统的节点采用粘贴安装方式，部署更加方便，单节电池使用寿命可达3年；通信采用无线远距离通信，监测范围更大；多类监测数据集中管理，功能更加完善；可远程短信邮件报警，及时性更好；可视化界面进行展示，直观性更强。本系统的应用，必将在很大程度上增加实验室管理的便捷性、安全性，一旦发生事故可及时发现，将事故损失降到最低。

基于LoRa物联网技术的实验室安全监测系统已在我校物理学院电工电子中心部署接近一年时间，运行情况良好。

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Design and realization of laboratory safety monitoring system based on LoRa Internet of things technique

LIU Huixi1, YANG Zhen2, ZHU Zhu1, LIU Shouyin1

(1. College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2. School of Finance, Zhongnan University of Economics and Law, Wuhan 430073, China)

In consideration of the complex layout, large laboratory area and relatively scattered location of university laboratory buildings, a laboratory safety monitoring system based on LoRa (long of range) technology is designed and realized by using the LoRa wireless communication technology with the characteristics of long distance, large capacity, low power consumption and low cost. This system consists of four parts such as the LoRa node, LoRa gateway, server, display terminal or mobile phone. This system is easy to deploy, does not need to reform the laboratory, and has low cost, timely alarm and strong practicability.

LoRa technique; laboratory safety; monitoring system

TN92

A

1002-4956(2019)07-0243-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.060

2018-12-16

刘辉席（1994—），男，湖北黄冈，硕士研究生，主要研究方向为物联网.E-mail: liuhuixi@mails.ccnu.edu.cn

刘守印（1964—），男，河南周口，博士生导师，教授，主要从事物联网、大数据等方面的研究.