基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统设计

盖昊宇，张震，朱炼，张佑春

基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统设计

盖昊宇，张震，朱炼，张佑春

（安徽工商职业学院 应用工程学院，合肥 231131）

在半导体厂房特殊环境中，常见的环境监测系统在组网上存在布线不合理的问题，导致系统在遭遇大量障碍物时信号幅度被衰减，信号穿透性比较差。针对这一问题，提出基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统设计。在硬件设计上，利用LoRa技术原有的硬件结构中接入射频模块，在厂房内配置温湿度传感器、PM2.5传感器，设计监测终端采集环境传感器数据，在射频模块的支持下实现无线传输；在软件设计上，从工作频率、传输类型、协议参数上设计LoRa协议栈，并配置载波频率，实现监测指令的传输，同时设计随机数序列，用于保证传输过程中的监测数据安全。实验结果表明，设计的基于LoRa技术的环境监测系统面对大量障碍物时信号强度高，监测节点剩余能量均方差小，信号穿透性更强。

LoRa技术；半导体厂房；环境监测；实时传输；信号衰减；远程监控；

在半导体行业迅速发展的今天，对于室内环境的要求越来越高，它的好坏不仅关系到从业人员生产过程中的健康和舒适性，而且关系到生产效率和产品质量，以及生产过程能否进行等重要问题[1]。半导体厂房环境要素包括洁净度、温度与湿度、振动、磁场、静电和其它有害气体的流动方向等，所以为了有效提高产品的合格率，保证产品的质量与高可靠性，必须要保证半导体厂房环境洁净度满足相应的标准[2]。而工作人员为了保证厂房环境的洁净，多数采用物联网技术监测半导体厂房环境。经过对目前厂房工作情况的总结可知，实施厂房环境监测系统后，产品效益得到了明显地增加，节省了大量人力财力[3-4]。但是随着半导体精细程度的提高以及需求量的增加，常规的监测系统已经不能满足半导体厂房的环境监测需求，部分系统还停留在小范围的、零散的层面上，急需技术创新[5-7]。

国内研究存在自主研发的监测系统，同时也有部分借鉴了国外技术的监测系统[8]。目前在实际工作中比较常见的监测系统有文献[9]设计的基于激光雷达技术的监测系统，该系统利用激光器发送光信号，获取回波有效信息，实现多方位的监测，监测精度较高，但是系统内部节点间布线比较杂乱，组网困难，面对监测距离较远或障碍物较多的情况，信号穿透性不好。文献[10]中提到的基于无人机数据的监测系统存在类似的问题，该系统在设计中解决了布线杂乱导致的电磁干扰问题，但是并没有解决信号穿透性差的问题。因此，提出基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统设计，利用LoRa无线通信技术解决上述常见的环境监测系统中存在的问题。

1 基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统硬件设计

1.1 搭建系统硬件框架

整个系统设计包含硬件部分和软件部分。将以往的监测系统框架作为基础，对其中的部分结构和功能进行设计与改进。环境监测系统基本结构如图1所示。

针对图1中显示的硬件部分，设计LoRa射频模块，与控制器连接在一起。LoRa射频模块以SX1278射频芯片为主，通过LPUART接口与无线通信模块和传感器模块相连，经过LoRa网关访问监测节点，实现环境数据的采集与处理。LoRa射频模块硬件框架如图2所示。图2中显示的电源模块包括基准电压源、电池和电源适配器，用以支撑整个硬件部分的稳定运行。在监测半导体厂房过程中，需要将监测节点布置在厂房内部，监测节点即为系统的终端硬件，设计终端硬件采集厂房内的温湿度和洁净度等参数数据。

图1 环境监测系统软硬件基本结构示意图

图2 LoRa射频模块硬件框架图

1.2 设计监测终端硬件

监测终端的需求是采集厂房的温湿度参数和洁净度参数，同时还要将采集的数据传递到其他模块[11]。因此，将温湿度传感器、PM2.5传感器布置在厂房内，利用传感器采集厂房环境监测数据，通过LoRa网关实现数据传输[12]。监测终端的具体结构如图3所示。

图3 监测系统终端硬件结构示意图

技术人员通过上位机向监测终端发送控制指令，在环境参数采集完成后，将监测结果展示在上位机界面上，实现实时监测。

2 基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统软件设计

2.1 LoRa通信协议设计

根据无线通信特点，从多个方面展开LoRa通信协议的设计，以常规的通信协议栈作为框架，定义通信协议的各个属性[13]。LoRa协议栈结构如图4所示。

图4 LoRa协议栈结构

图4中的射频层定义了通信协议工作频段，针对不同的国家和地区划分不同的工作频段，设计过程中使用的频段为亚洲公频段。

介质访问控制层定义通信协议传输类别，LoRaWAN的可选扩频因子影响通信传输速率和范围。在设计中，由扩频因子、编码率和带宽确定LoRa的传输速率[14]。计算公式如下

物理层定义协议参数，主要目的是调制和解调通信信号，调制方式为线性扩频调频，每个调频信号的连续时间由扩频因子和带宽确定[15]。由以上内容组成LoRa协议栈。

2.2 随机数设计

3 基于LoRa技术的半导体厂房环境实时监测系统实验研究

3.1 实验准备

为了测试设计的半导体厂房环境实时监测系统的应用水平，在实验研究中使用具有LoRa技术特征的监测节点，与常见的环境监测系统相比较，通过监测节点入网实验和监测数据融合实验分析监测系统的信号穿透性。在实验前，为实验中使用的监测节点设置主要参数。具体内容如表1所示。

表1 监测节点实验参数

在保证各个系统监测节点参数一致的情况下，分别对设计的环境监测系统、常见的基于激光雷达技术的监测系统以及基于无人机的监测系统进行实验与分析。

3.2 监测节点入网实验分析

实验中，选择一个监测节点作为Sink节点，与其他监测节点构成通信组网，为每一个监测节点分配一个独立不重复的地址。在系统上电后，以一个固定周期向其监测组网发送入网请求帧，保证所有参数配置相同的监测节点均能接收到，直到Sink节点回复应答帧。在整个监测过程中，Sink在接收到入网请求后需要判断数据帧是否有效，如果确定有效，将携带地址信息的应答帧返回给监测节点，完成入网。

使用第三方软件编辑监测节点入网请求帧，数据内容为“0x0c 0x14 0x01 0xff 0x01 0x27 0x05 0xff”，目的地址为0xffff，将入网请求帧分别发送给不同的监测系统，在获得各个监测系统的应答帧时，同时接收到监测信号强度。

设计的环境监测系统入网应答帧为“0x0c 0x14 0x01 0x00 0x01 0x27 0x05 0x00”，源地址为0x0101，RSSI为-33dBm；基于激光雷达技术的监测系统入网应答帧为“0x0c 0x00 0x21 0x00 0x01 0x00 0x05 0x00”，源地址为0x0101，RSSI为-43dBm；基于无人机的监测系统入网应答帧为“0x0c 0x00 0x01 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00”，源地址为0x0101，RSSI为-51dBm。

通过这一结果可知，实验中使用的三个环境监测系统均能完成监测入网，但是相比之下，信号强度各不相同，其中以设计的监测系统监测信号强度最高，基于无人机的监测系统信号强度最弱，但是整体差距不大。考虑到半导体厂房的实验环境，设置不同的监测条件，分析在不同条件下监测系统是否还能保持高水平的信号质量。

以墙体障碍物数量作为条件，设墙体之间距离为20m，设置多个监测点，在监测系统监测信号发出后，由不同位置的监测节点返回监测信号强度。实验结果如图5所示。

图5 监测节点入网信号强度实验结果

通过图5中的实验结果可以看出，随着障碍物的增加，监测系统的监测信号强度逐渐下降，相比之下，提出的环境监测系统监测信号强度更加稳定，面对不断增多的障碍物，始终保持比较高的信号强度，而其他两个监测系统监测信号强度下降明显，不足以支撑半导体厂房环境的实时监测。综上所述，提出的环境监测系统监测信号更稳定。

环境监测系统在实际应用中，影响信号穿透性的因素不仅仅是信号强度，系统的能耗均衡水平也是一个重要因素。

3.3 监测能耗均衡性能实验分析

设定一个100m*100m的仿真区域，将Sink节点布置在仿真区域中间，同时将其他监测节点布置在区域内，划分出5个子区域，再对监测能耗均衡性进行研究分析。监测节点的分布情况如图6所示。

监测能耗均衡性实验分为两种情况，一种是监测节点具有相同的初始能量，一种是监测节点具备的初始能量各不相同。在第一组实验中，为每个监测节点设置相同的初始能量，均为4.5mA·h。经过多次实验得到各个子区域平均剩余能量的变化情况。实验结果如图7所示。

图6 监测节点仿真区域分布图

图7 监测节点能量相同时能耗变化情况

设置监测节点的初始能量在2～5mA·h之间，结合表1中显示的参数值，通过多次实验得到各个环境监测系统监测节点平均剩余能耗的变化情况。具体内容如图8所示。

从图7中可以看出，在监测节点初始能量相同的情况下，面对不断增加的发送次数，剩余能量均方差逐渐增大，说明各个子区域之间出现了能量不均衡的情况，这种不均衡性将会影响信号的传递效果；在图8中，节点初始能量不相同，在发送次数不断增加的情况下，节点剩余能量均方差逐渐减小，说明能耗均衡性得到改善。但是，单独观察各个系统在两种条件下的变化可知，常见的两种环境监测方法在实验中变化波动比较大，节点剩余能量均方差多数处于高水平状态，只有提出的环境监测系统比较稳定，水平较低。说明提出的环境监测系统能耗更均衡，结合监测节点入网实验结果共同分析可确定，提出的基于LoRa技术的环境监测系统信号强度高，能耗均衡，整体监测性能优于常见的环境监测系统。

图8 监测节点能量不同时能耗变化情况

4 结束语

本文面对半导体厂房环境的复杂性，对环境实时监测系统进行了研究，通过分析监测系统的实际需求与LoRa技术的特点，对环境监测系统进行了改进设计，构建了基于LoRa的监测系统。从硬件和软件两部分完成了对监测系统整体的设计与研究，并与常见的监测系统相比较，通过比较性的实验方案，证明了设计的环境监测系统性能更加优良，能够满足设计要求，LoRa技术的应用避免了技术人员非必要出入厂房环境，进一步保证了人员和厂房的安全。但是在实际监测过程中，监测系统还存在一些问题，在接下来的工作中，将从远程通信协议和数据传输安全上入手，研究并设计功能更加完善，远程监测安全性更高的系统，为半导体厂房环境监测提供更可靠的技术。

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Design of semiconductor plant environment real-time monitoring system based on LoRa technology

GAI Hao-yu，ZHANG Zhen，ZHU Lian，ZHANG You-chun

(School of Application Engineering, Anhui Business and Technology College, Hefei 231131, China)

In the special environment of semiconductor plant, the common environmental monitoring system has the problem of unreasonable wiring on the network, which leads to the signal amplitude attenuation and poor signal penetration when the system encounters a large number of obstacles. To solve this problem, a real-time monitoring system for semiconductor plant environment based on LoRa technology is proposed.In terms of hardware design, radio frequency modules are connected to the original hardware structure of LoRa technology, temperature and humidity sensors and PM2.5 sensors are configured in the factory building, and the monitoring terminal is designed to collect environmental sensor data and realize wireless transmission with the support of radio frequency modules. In terms of software design, LoRa protocol stack is designed from working frequency, transmission type and protocol parameters, carrier frequency is configured to realize the transmission of monitoring instructions, and random number sequence is designed to ensure the security of monitoring data during transmission.Experimental results show that the designed environmental monitoring system based on LoRa technology has high signal intensity when facing a large number of obstacles, small mean square error of residual energy of monitoring nodes, and stronger signal penetration.

LoRa technology；semiconductor plant；environmental monitoring；real-time transmission；signal attenuation; remote monitoring

2021-11-17

安徽省高校优秀拔尖人才培育资助项目（gxyqZD2021146，gxbjZD2020105）；安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2020A1096，KJ2020A1094，KJ2020A1095）；安徽省省级质量工程项目（2020jyxm0194，2020szsfkc0115，2020sjjd016，2019xqsxzx71）；安徽省职业与成人教育学会教育教学研究规划课题（azcg200）

盖昊宇（1983-），男，安徽滁州人，讲师，硕士，主要从事物联网、网络通信工程应用研究，34216080@qq.com。

TP393

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