基于LoRa的中小企业工厂安防监测系统设计与实现

万树德，徐 儒

（长江师范学院 大数据与智能工程学院，重庆 408100）

0 引 言

改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了卓越成就，制造业和生产业不断发展。据国家统计局数据显示：截至2019年底，我国工业化中小企业单位约36万家，企业的工厂、仓库竣工面积每年以超3亿万平方米的速度快速增长。与此同时，发生在工厂、仓库的安防事故也在不断攀升，给工厂安防带来了巨大挑战。

1 研究背景

现阶段，市面上应用于工厂安防的监测系统品牌繁多，性能技术各异，设备采用不同的自定义通信协议，导致设备互不兼容、整合困难，为用户带来了诸多不便。随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的兴起，为设计稳定、高能、低耗、精准、使用方便的工厂安防监测系统提供了强有力的技术支撑，鉴于此，设计适用于中小企业的通信距离长、成本低、运行稳定的安防监控系统势在必行。

2 需求分析

随着经济的高速发展，企业的建设规模不断扩大，导致中小企业的覆盖面越来较大，而仓库布局分散，给安防监测工作带来不便。传统安防监控存在的不足表现如下。

（1）数据传输稳定性差：传统监测系统采用ZigBee、蓝牙、红外等通信技术，抗干扰能力较差，容易受线路、建筑、天气等因素的干扰，影响数据传输的稳定性。

（2）设计运维成本高：传统监测系统在设计初期并未考虑企业未来的发展趋势，仅根据现有规模选择技术方案。一旦需要扩展规模或功能，势必需要投入大量硬件通信设备进行组网，导致硬件堆积、价格昂贵、维护成本高、性能不佳，不仅为运维和管理带来巨大压力，更无法满足企业高速发展的个性化需求。

（3）预警机制不健全：传统监测系统未运用云服务器、大数据等新一代信息技术，仅仅通过初始阈值进行预警判断，同时系统无法动态调整预警阈值，更无法实现远程操控、数据采集、数据分析、智能监控及预警。

（4）实时数据未存储：传统监测系统由于未采用数据库系统技术，无法实时存储采集的数据，导致无法回访历史记录，更不能通过历史数据为安全分析和决策提供支持。

3 LoRa通信技术及对比分析

（1）NB-IoT：窄带物联网是一种构建于蜂窝网络的广域网通信技术，在实际运营过程中较依赖运营商网络，需要支付一定通信费用才能使用，当用量较大时产生的费用较高。

（2）5G网络：作为第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信，通信费用较高，且目前市面上兼容5G的硬软件设备设施较少，因此5G网络在技术应用层面尚未普及。

（3）ZigBee：它是一种基于IEEE 802.15.4协议的短距离双向无线通信技术，但ZigBee通信距离较短，在实际组网过程中需要添加中继器、路由器，在实际设计使用过程中，还需设立相对应的子节点、协调器等，组网较为复杂且信号容易受到干扰，不适合远距离物联网项目工程。

（4）LoRa：即远距离无线电，是一种线性调频扩频的调制技术，传输距离远、功耗低、成本低、抗干扰能力强、组网灵活，被广泛应用于智慧社区、智慧农业、智能安防等领域，应用前景广阔。

在远距离传输通信技术中，虽然5G网络和NB-IoT都可实现，但成本和后期运维投入较高，而LoRa在全球范围内免费使用，即使在较为复杂的城区传输距离也可达2～5 km，在城郊通信距离可达15 km，适用于绝大部分中小企业工厂。另外，ZigBee技术虽然同样可进行远距离通信，但长距离传输需要增设更多子节点和中继器等设备，不但增加了投入成本，更不利于系统维护，同时ZigBee采用的频率为2.4 GHz，该频率在传输过程中容易受到WiFi、蓝牙等无线通信技术的干扰，导致数据传输延迟或丢失。

鉴于工厂区域通信距离远、楼宇分散、场地复杂、容易受外界干扰等情况，系统采用LoRa无线通信技术作为数据通信方式，经验证，所设计的数据实时采集方案完全可行。

4 系统设计

系统将物联网、云计算、大数据等新一代信息通信技术引入中小企业工厂监控系统，实现数据采集、数据通信、大数据监测、数据分析预警、数据可视化系统维护等功能。系统总体功能框架如图1所示。

图1 系统总体功能框架

系统平台由下位机、LoRa通信模块和上位机组成。LoRa通信模型如图2所示。

图2 LoRa通信模型

数据采集：主要对工厂区域环境数据进行采集，包括温湿度、烟雾浓度、火焰探测数据和网络监控视频数据等。

数据通信：系统结合工厂区域地段复杂、障碍物多、干扰因素多等情况，将LoRa无线通信技术与TCP结合，采用点对点、点对多、广播监听等透传方式，实现上位机程序与下位机系统间的数据通信。LoRa数据通信模型如图3所示。

图3 LoRa数据通信模型

大数据监测：主要对终端采集的数据进行存储、分析，实现监测预警功能。系统以间隔2 s的时间周期实时采集工厂环境数据，上位机对接收的终端监测数据进行归一化处理、分析等操作，例如将终端采集的烟雾浓度归一化为优、良、中、差，火焰状态为True或False，温度值是否过高和湿度值是否过大等。大数据监测功能模块如图4所示。

图4 大数据监测功能模块

数据分析预警：根据大数据监测情况启动相应的报警方式。例如，当探测到火焰时，上位机程序播放声音预警并启动云服务器，向管理员手机发送预警短信，下位机打开指示灯，提醒管理人员及时采取措施。

数据可视化：将接收的烟雾浓度数据、火焰探测数据、温湿度数据、监控视频数据等，通过直线图、饼图、曲线图等方式呈现，通过C/S端程序进行数据可视化显示，同时动态显示数据对应的指标状态，如优、良、中、差、发现火焰、温湿度值过高等。

数据维护：将终端采集的数据通过上位机实时保存到数据库服务器。本系统采用MySQL数据库，通过系统管理平台以Web方式远程实现对数据记录的增、删、改、查等。

5 系统实现及关键技术

5.1 下位机功能的实现

下位机借助Keil5平台开发，结合单片机的中断、串口通信功能实现数据的采集、分析和传输。下位机首先需要对自定义的参数、串口中断以及单片机的总中断等进行初始化设置，确保单片机内部系统正常运行，然后采取采集、分析、发送等操作，进行数据准备和分批处理。审核数据发送/接收标志位后，实现数据传输，确保发送/接收数据的状态，并修改标志位。下位机业务操作流程如图5所示。

图5 下位机业务操作流程

5.2 LoRa通信协议的实现

为提高系统的抗干扰能力，通信过程采用对数据添加目标地址、状态标志位、校验字节等方式封装，确保数据的准确性和可靠性。LoRa通信协议基本数据格式如图6所示。

图6中，D0为起始标志位，D1为目标地址，D2为本地地址，D1和D2可用十六进制表示，D3～D9封装需传输的数据，D10进行字节校验，D11为结束标志位。

图6 LoRa通信协议基本数据格式

数据发送/接收过程中，例如发送端与接收端的起始标志位、目标地址及本地地址必须符合通信协议才能满足数据收发条件；单片机逐帧收发数据，接收/发送一帧数据后必须将状态位清零，然后读取缓冲区内的数据到单片机，再继续接收/发送下一帧数据，直至缓冲区内的数据全部读取。最后启动中断程序，数据通信结束。

5.3 监测预警功能的实现

系统在发现险情时须自行预警，提示该区域的作业人员及时撤离并做好安全防护工作。系统进行预警的依据主要包括发现火焰、烟雾浓度过高、区域温度过高等，不论发现上述哪一种情况都会触发上位机程序和下位机系统预警，管理人员听到警报提示音后立即查看危险数据的种类，并及时做好预警和危险排查工作。预警机制如图7所示。

图7 系统预警机制

5.4 数据库实时存储功能

在上位机程序端连接MySQL数据库服务器，利用SQL过程控制语句将接收的数据进行解析，提取真实数据进行实时数据库系统写入操作。通过对采集数据的数据库进行写入测试，使数据能够正确且实时保存到数据库中。数据库测试效果如图8所示。

图8 数据库测试效果

6 结 语

针对传统工厂安防监测中通信距离短、成本高、稳定性差的问题，在深入研究的基础上融合新一代信息技术设计了一套基于LoRa的中小企业工厂安防监测系统，实现了烟雾、温湿度、火焰等数据的采集，实现了点对点、点对多的LoRa组网数据透传功能，实现了同步写入云服务器端MySQL数据库的功能，实现了云平台的工厂安防监测、预警、数据分析和智能处理等功能。实验表明，该方案有效，可为类似系统的开发提供参考。