基于LORA物联网的人防工程三防控制系统

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210000)

人防工程三防控制系统的基本功能是在战时遭受核生化袭击情况下，快速、准确地实现清洁式通风、滤毒式通风和隔绝式通风之间的转换，是确保整个人防工程内部人员安全的核心系统[1-2]。

但目前主要实现方式都是将远端待控设备通过PLC与监控主机相连，需要布设通信和控制电缆，这样不仅需要在防护墙上留有洞孔，影响墙体隔绝性能，还会带来线路本身就有的高成本、高维护等问题。

随着物联网技术的发展，出现了低功耗广域网(即LPWAN)，可最大程度地实现更长距离无线通信与更低功耗。同时，一个标准通信网关可以接入大量传感器与控制器节点，极大地降低了安装成本和维护费用。

综上，研究探讨基于LORA物联网的人防工程三防控制系统是非常有意义的。为此，运用LORA技术搭建了整套三防控制系统，并不断开展研究探索。本文是由架构到实际系统搭建过程的介绍，在给出三防转换总体架构和技术体系的基础上，结合相应的案例介绍了基于LORA无线网络三防控制系统的主要功能和工程应用方法。

1 LORA物联网概述

LORA是一种基于扩频的低功耗长距离无线通信技术，处在GHz级以下的频段，使其更易以很低功耗远距离通信。除低功耗之外，LORA采用的433 MHz频带接收灵敏度可达-148 dBm，相比于其他Sub-GHz技术，接收灵敏度提高了20 dBm以上，覆盖范围在空旷地区可达15 km以上。由于节点的超低功耗，同等条件下，电池供电时寿命是其他低功耗广域网技术的3～5倍，使其可选多种供电方式，并可灵活安装调试[3]。

LORA信号对建筑的穿透力很强，尤其是它的Chirp扩频调制技术，在延续移频键控调制的低功耗特性上，增大了通信范围和抗干扰性，使用不同扩频因子的终端设备即使用相同的频率同时发送也不会产生干扰，被广泛应用于军事和航天通信。综上， LORA是实现三防转换控制可行的技术手段。

作为同时发展起来的另一种低功耗广域网技术，NBIoT同样支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NBIoT基于运营商网络，使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等3种部署方式，与现有网络共存。而LORA使用的是非授权频段，支持自行组建网络，对安全信息有更好的保护。所以，针对保密性要求高的地下人防工程，采用LORA组网技术是更好的选择[4]。

2 基于LORA物联网的人防工程三防控制系统总体架构

人防工程三防控制系统需要快速准确地实现清洁、滤毒、隔绝三种通风方式的转换控制。如果新建工程直接采用LORA三防控制系统，可以节省大量时间和资金。由于舍掉了部分线缆的铺设，相比老式工程，稳固性也有所提升。所以，需要一套完整的架构体系，适用于完全以LORA控制为核心建设的新人防工程。

基于LORA的人防工程三防控制系统架构如图1所示，主要包括LORA监测与控制终端节点，用于远程控制设备以及环境参数监测。监控终端的数据通过LORA网络汇总到网关后，再由网关经WiFi网络传至上位监控主机，用于远程监控和三防转换控制。因为工程墙体厚重，对LORA信号影响很大，加上工程本身的不规则性，很多时候需要布置多个网关，采用轮流查询的方式进行主从通信以提高控制的可靠性，并选择WiFi连接到监控主机，可以节省主机接口。LORA/WiFi网关作为两个网络层之间的核心部分，可实现数据的双向协议转换和传输。

以上基于LORA物联网的系统架构，对于现有的人防工程，可以兼顾以前的线缆连接和 WiFi连接，更快地对原有控制系统进行升级，一边应用一边进行LORA物联网改造，减少了改造过程中对三防系统运行的影响。对于新建工程，可以实现完全以LORA为主的三防控制系统。

图1 基于LORA物联网的三防控制系统总体架构

3 LORA现场测控节点设计

3.1 温湿度监测节点设计

为了简化节点实现，并保证温湿度在线检测的快速与准确，选用智能数字温湿度传感器SHT11，它的测量精度高，湿度精度可达3%，温度精度可达0.4 ℃。传感器通过了AEQ100 温度等级2的标准测试，且性能稳定。

该传感器与微处理器采用I2C通信协议，数据传输仅需两根线，占用CPU端口少，这样可以使节点设计非常简洁。LORA通信模块内置了STM32L151CB微处理器,使得温湿度监测节点的设计大为简化,节点结构如图2所示。

图2 温湿度监测节点硬件结构图

3.2 设备测控节点设计

设备测控节点的的总体设计如图3所示。设备监控节点的主要功能是监测人防工程中风机、阀门等设备的实时运行状态，控制这些设备的启动停止等。由于测控节点与断路器等强电设备安装在同一个控制箱中，通信模块等电子电路应采取防电磁干扰措施，以提高设备监测控制的可靠性。

图3 设备测控节点硬件结图

所以，测量和控制信号的输入输出采用光耦进行隔离，可避免强电回路的电磁干扰对敏感的监测控制电路的影响，以提高系统节点的可靠性。

LORA通信模块可以有不同的工作模式，平时可选用A类终端设备通信，降低功耗，而在战时可切换到C类终端设备通信，连续地打开接收窗口，仅在发送时关闭。所以 C类的功耗要高于A类，但C类更利于实时控制。

设备测控节点软件实现框图如图4所示，启动模块为程序的入口，下面4个函数并列为底层实现部分，主要包括节点初始化、输入通道状态读取及控制命令输出处理、LORA网络通信命令处理等模块。

图4 设备测控节点的软件实现框图

3.3 网关通信节点设计

网关节点下行连接温湿度监测节点和设备测控节点，接收人防地下工程的环境参数和设备运行状态，上行通过UART串口连接上位机软件，上传接收到的温湿度数据及设备运行状态，作为LORA网络与上位机软件之间的通信网关。

其总体设计如图5所示，系统采用标准LORA通信模块作为网关节点，控制部分采用低功耗的STM32L151CB芯片，射频部分采用Semtech公司的SX1278芯片，控制芯片通过AT指令可以对LORA通信参数进行设置[5]。

图5 网关节点硬件结构图

4 系统实现案例

下面介绍采用所研制的LORA测控节点构建三防控制系统的实例，该实例实现一个基本的三防控制系统功能，以对这些节点的通信及测控功能进行验证，同时也对基于LORA无线网络实现三防控制进行验证。实例系统的组成如图1所示，包括上位监控主机、LORA测控节点，主机和LORA测控节点之间通过一个LORA网关通信节点进行通信。

4.1 现场测控节点通信

实际的三防控制系统都包括多个温湿度和设备测控节点，为了实现网关节点与现场测控节点之间的通信，需要设计一个通信协议。为了简化协议实现，并便于与上位机监控软件进行通信，采用了工业控制系统中最常用的Modbus-RTU协议[6-7]。在本实例系统中，LORA网关节点作为Modbus通信的主节点(主站)，现场的LORA测控节点作为从站。在系统运行中，监控主机通过主节点给现场的从节点发送数据采集或设备控制命令。

现场的LORA节点通过LORA网络接收到相关命令后，执行数据或设备控制命令，是采集或从发起数据采集或设备控制通信，并将执行结果通过LORA网络返回给监控主机。

4.2 LORA网络与WinCC接口

本实例采用WinCC作为上位机组态软件，负责实现监控画面和监测、控制功能。为了实现WinCC与LORA节点网络的数据通信，采用KEPServer作为实时数据采集和控制OPC服务器，并作为监控主机和LORA网络的软件通信网关。WinCC支持OPC协议，可以直接和KEPServer进行数据交换[8]。

KEPServer中建立输入型变量来保存现场节点采集的实时数据，建立输出型变量保存需要发送的现场节点的控制命令。

图6为OPC服务器上所建立的部分变量，其中包括Boolean型变量和Word型变量，前者负责传送设备状态和控制指令数据，后者负责传送温湿度数据。

图6 部分OPC服务器变量示例

4.3 实例系统的功能

上位机软件需要具有用户管理、操作记录查询、三防转换控制、参数监测以及警报系统等功能，具体功能架构如图7所示。

其中，用户管理系统分为管理员操作和用户登录两个部分，管理员拥有整个监控系统的最高权限，可以设置用户和调试系统功能，普通用户拥有三防转换控制权限、监控权限和警报解除权限。

图7 人防监控系统软件功能架构

考虑到工控人员的交接班和日志管理问题，需要有操作记录查询功能，以便于在整个系统的运行期内，协调各操作员的工作。

三防转换控制按照人民防空地下室设计要求，分为清洁式通风、滤毒式通风和隔绝式通风，在需要的时候能够可靠快速地转换，3种通风方式转换控制画面如图8所示。

图8 三防转换控制系统组态画面

参数监测包括设备运行状态监测和环境参数监测，其中环境参数主要为温度和湿度，设备运行状态包括过载、故障等。图9为温湿度实时曲线图画面。除上述系统外，在检测到设备和环境参数出现异常状态时应及时发出通知给值班人员，加快故障清除速度，保障系统运行的可靠性，并保存报警记录，以备分析。

图9 温湿度实时曲线

5 结束语

实例系统的实际运行测试结果表明，基于LORA物联网的人防工程三防控制系统能够可靠稳定地实现三防转换和环境参数监控功能。在经济性上，LORA互联网技术卓越的穿透能力和很高的灵敏度，极大地方便了系统的布设，降低了线缆铺设与维护管理费用。综合展望，LORA物联网技术可以很好地应用于人防工程的智能化改造。