基于LORA的远程分布式实验室管理系统设计

韩团军， 黄朝军， 陈俊尧， 唐友金

（陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西汉中 723000）

0 引 言

近年来实验室安全所造成的财产损失和人身伤亡事件时有发生，如何科学有效地管理和监测实验室环境成为科技研究的重点，由于各实验室环境的不同和分布不同，传统的实验室安全监测设备布线复杂、可靠性比较低［1-3］。本文提出了一种以LoRa为核心技术的远程分布实验室管理系统，LoRa组成该系统的数据传输网络，通过GPRS模块将所接收到的2个节点的数据进行打包处理，将这些数据发送给ONENET云平台上，云平台对数据进行显示和统计分析。该系统运行稳定、方便、可靠可以为实验室进行推广。

1 系统结构

系统主要由数据监测单元、管理单元、服务器和用户终端构成，检测数据单元由各类传感器和LORA构成检测各节点的数据，将检测到的数据发送给主要管理单元的传输网络、传输节点汇总网络接收数据并打包，打包后的数据通过GPRS模块传至云平台和用户终端。整个实验室管理系统的网络结构如图1所示。

图1 实验室管理系统的网络结构图

2 系统硬件

整个硬件系统分为数据监测单元、管理单元两部分，数据监测单元由STM32F4系列主控芯片，LoRa无线通信模块和传感器组成。控制器将不同监测节点采集到的数据通过LoRa模块发送给汇总节点，通过GPRS将所有数据打包发送给ONENET云服务平台和手机APP，通过云平台和手机APP设置阈值实现报警。整个系统的硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 电源电路

图3 系统电源设计

主控芯片和各传感器对电压的要求分别为5 V和3.3 V。使用AMS1117稳压芯片设计5 V稳压电路，得到稳定的5 V电压可为无线通信传感器进行供电，通过稳压芯片将5V电压转化为3.3 V为其余传感器供电［4-5］。整个系统的电源如图3所示。

2.2 烟雾传感器电路

烟雾传感器电路设计采用MQ-5传感器，可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号。MQ-5拥有其独有的双路输出模式，输出端接口为DOUT，是的数字电平输出端，AOUT为模拟电压输出端，通过单片机的A／D通道与DO脚相连接，将采集到的电压进行数据处理，也可使用中断服务程序进行处理。通过电位器设置烟雾气体浓度阈值，当所检测气体浓度达到所设置电压阈值［6］，即可触发中断服务子程序。传感器电路如图4所示。

图4 烟雾气体传感器电路图

2.3 火焰检测传感器电路设计

火焰传感器模块可以检测760～1 100 mm范围内的光源，探测角度可达到60°左右，对火焰光谱检测较为灵敏，同时灵敏度也可进行实时调整，检测信号通过电压比较器LM393输出。模块的工作电压为3.3～5 V。火焰检测传感器电路如图5所示。

图5 火焰检测传感器电路

2.4 GPRS模块电路设计

系统通信模块选用ATK-SIM800C-V15GPRS。它具有体积小，性价比高，工作性能稳定，工作频段在GSM＼GPRS850＼900＼1 800＼1 900 MHz，可以在低功耗下实现SMS，语音数据信号传输。GPRS模块在系统中作为协调器和服务器之间的桥梁，将采集的数据上传至云平台ONENET。在串口助手上输入AT指令，观察内嵌的TCP协议能否连接正常，将其板子连接观察串口助手上的数据发送。模块的TTL电平串口通信连接方式进行数据传输，采用12V1A的电源供电源适配器［7-9］。GPRS模块最小系统电路如图6所示。

图6 GPRS模块最小系统

3 系统的软件设计

整个系统的软件包含监测节点、汇总节点和云平台3部分。

3.1 检测节点软件

检测节点由STM32F407、各传感器、LoRa模块组成，采集实验室内的各项环境数据，室内温湿度数据通过DHT11模块单总线协议与主控芯片的I／O口进行通信，与单片机的PC8管脚相连接，使用I／O口模拟IIC协议的通信时序，得到经过处理的温湿度数据由LORA模块发送给汇总节点。使用微控制器自带的A／DC通道采集烟雾传感器和火焰检测器得到的采样值进行处理，即可获得所需要的烟雾浓度值和火焰传感器反馈的高低电平，检测节点流程如图7所示。

图7 检测节点程序节点流程

3.2 汇总节点软件

各个监测节点将数据处理、打包上传到ONENET云平台服务器端。两个无线通信模块的通信方式都是使用主控芯片STM32F4微控制器内的USART串口通信方式进行通信，不同的是：LORA模块的数据传输与接收，与各个模块之间的通信方式使用USART2串口进行通信；GPRS模块通信，使用USART3串口进行通信。监测节点通过串口中断方式采集数据信息，如果有数据信息传入中断会被触发，所得数据信息会保存在缓冲寄存器中，在串口中断处理函数中将缓冲寄存器中的数据信息一起保存到一个数组中，接收完一帧数据信息关闭串口1中断，使用串口2发送数据信息。对于汇总节点，与上述发送数据开始步骤相同，有串口usart2接收来自LORA模块传来的数据，再由串口usart3将所获得数据通过GPRS模块发送给ONENET云平台，使用3个串口进行通信，即可完全完成本次要求。汇总节点流程如图8所示。

图8 汇总节点流程

3.3 报警系统软件

实验安全管理系统的报警部分电路由单片机，各传感器和蜂鸣器构成，温湿度传感器采集到的温度数值≥50℃，或者，火焰传感器所采集数值≥110将此值发送给主控节点进行报警。报警系统软件流程见图9。

图9 报警系统工作流程

3.4 云平台软件

ONENET可以适配多种网络环境和支持多种协议，可为不同硬件终端提供快速接入；该平台可利用应用层提供的API和数据分析进行应用开发，满足不同系统的功能要求。使用的时候不必再进行搭建设备接入层的环境，节省了开发和运维成本。系统选用EDP协议，采用TCP＋脚本的方式接入［10-15］。整个云平台技术设计如图10所示。

图10 云平台技术设计

4 系统测试及分析

实物显示节点如图11所示。可观察到2个节点的各传感器状态，同时可以通过各个节点的显示模块OLED屏幕观察到A、B节点的各项测量数值。

图11 实物显示节点

两个监测节点数据直接发送给汇总主节点，即地址为0x01的主机单位，可以直观地通过主节点地OLED屏幕观察2节点各项环境监测数据，主节点OLED屏幕显示两节点的温度数据，单个节点数据见表1。双节点在同一环境下检测数据见表2。通过数据分析，系统工作正常，实时数据分析如图12所示。

同时数据可以通过云上传可在手机APP端观察到实时数据返送。

图12 检测节点数据统计图

表1 单个节点监测数据

表2 A、B节点监测测量数据

5 结 语

本文设计了一种基于LoRa的远程分布式实验室安全管理系统，通过对整个系统测试分析验证，该系统能准确监测实验室环境的参数，使用ONENET云平台能方便地对数据统计分析和预警。整个系统运行稳定、方便、可靠，可以为实验室进行推广。