基于LoRa無線通信技術的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

張亞東

摘要：介紹了 LoRa技術的基本原理以及性能優(yōu)勢，分析了LoRa無線通信技術在電氣火災監(jiān)控領域應用的可行性，并設計了其在電氣火災監(jiān)控領域應用的系統(tǒng)架構。

關鍵詞：LoRa技術;電氣火災;監(jiān)控系統(tǒng)

隨著科學技術的發(fā)展和我國城市化進程的不斷加快，電能已成為最主要的能源。但不規(guī)范用電和電路老化引發(fā)的電氣火災事故時有發(fā)生，特別是大型商場、娛樂場所，一旦發(fā)生火災很容易造成重大的人員傷亡和財產損失。據(jù)我國消防部門的火災數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，電氣火災發(fā)生次數(shù)占到火災總數(shù)的 36. 1%，在所有火災起因中居首位。

目前，在建筑供電線路上加裝火災預警和監(jiān)控系統(tǒng)已成為有效的措施，但是在電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的應用環(huán)節(jié)尚存在一定問題。市場上研制電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的廠家很多，但大多是采用有線傳輸方式，這種傳輸方式對于一些不便施工的老舊建筑、監(jiān)控室較遠的建筑、出于保護目的不允許施工的古文物建筑等不太適用。隨著無線傳輸技術的發(fā)展，現(xiàn)在已經完全可以制作一款性能可靠、價格合理的無線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。在此背景下，開發(fā)一款基于LoRa無線通信技術的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

基于LoRa無線通信技術的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，由電氣火災探測器、現(xiàn)場監(jiān)控設備以及監(jiān)控主機組成。電氣火災監(jiān)控探測器用于探測被保護線路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數(shù)的變化，一般將其安裝在樓宇建筑的配電箱或配電柜中。電氣火災現(xiàn)場監(jiān)控設備可以接收來自電氣火災探測器的信息，然后通過無線網絡將信息傳輸給監(jiān)控主機，當監(jiān)測到的實際值高于設定的報警范圍時，監(jiān)控主機將發(fā)出聲光報警信號，存儲報警記錄。

2 LoRa技術優(yōu)勢

LoRa是由美國 Semtech 公司研發(fā)和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術，屬于低功耗廣域網 LPWAN（Low-power Wide-area Network）的一種。這一技術解決了以往傳輸距離與功耗之間的矛盾，為用戶提供一種簡單的，能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的傳輸系統(tǒng)，進而擴展傳感網絡。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433，868，915 MHz等。LoRa技術擁有以下幾大優(yōu)勢：

（1）采用擴頻調制技術，對干擾信號的抑制能力達 20 dB，具有較強的抗干擾能力，提供高靈敏度、高可靠性的網絡連接。

（2）采用前向糾錯技術，給待傳輸數(shù)據(jù)序列增加冗余信息，當傳輸中數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，接收機可以再建數(shù)據(jù)，所以降低了數(shù)字信號的誤碼率，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）LoRa技術實現(xiàn)的通信距離比其他無線通信技術要遠的多，空曠環(huán)境下可以達到 8 km 的傳播距離，即使在城市中也可以達到 2 km 的傳播距離。經測驗，信號可以穿透 6 層樓層仍然可以穩(wěn)定接收。

（4）最大發(fā)射功率 100 m W，LoRa 芯片在休眠時電流僅 1. 5μA，接收端靈敏度為 - 129 dBm。以上這些優(yōu)勢非常契合在單棟或者數(shù)棟相鄰建筑中建立一個區(qū)域性穩(wěn)定可靠的無線網絡的需求。當然，由于該技術是以追求遠距離和低功耗為目標的產物，在傳輸速率上做了不小的犧牲，在理想條件下，理論上只有 50 kb /s 的傳輸速率。因此，該技術僅適用于構建數(shù)據(jù)量較小的網絡，電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)僅需傳輸監(jiān)測到的數(shù)值數(shù)據(jù)，可以說是非常合適的。

3 ?LoRa性能分析

（1）Chirp 時域信號。采用擴頻通信是 LoRa 通信性能強大的重要原因，LoRa 的調制方案中，芯片發(fā)射的信號時域上是恒包絡信號也可稱為 Chirp 信號。

（2）信道容量。當帶寬增加到一定程度時，允許信噪比進一步降低，即使信號功率接近噪聲甚至淹沒在噪聲之下，接收機也能正確地還原信號。當信道容量確定時，擴頻通信利用較寬的信道帶寬來換取較低的信道輸出信噪比條件，這是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

（3）信號的時間帶寬積 D 越大，信號的匹配濾波器輸出波形的主瓣幅度越大，寬度越窄。與其他擴頻技術相比，Chirp 擴頻有其獨特的優(yōu)點：Chirp 擴頻的處理增益由信號的時間帶寬積 D = T×B 決定（T為信號周期，B為信道帶寬）。一般而言，Chirp 信號的時間帶寬積 D 遠大于 1，所以利用 Chirp擴頻通信傳輸數(shù)據(jù)，接收端信號經匹配濾波后輸出波形主瓣槡D 幅度大，具有較強的抗干擾能力。Chirp 擴頻利用大的時間帶寬積與較寬的信道帶寬，使得信號在極低的發(fā)射功率下，依然可以抗多徑衰落、多普勒頻移、背景噪聲等干擾。

4 硬件設計

基于 LoRa無線通信技術的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，采用 STM32F103 系列芯片作為主控芯片，該系列微處理器是首款基于 ARMS-7 體系結構的 32 位標準 RISC精簡指令集處理器，能提供很高的代碼效率，在通常 8位和 16 位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了 ARM 內核的高性能。該系列微處理器具體性能指標為：工作頻率72 MHz，內置高達 128k 字節(jié)的 Flash 存儲器和 20k 字節(jié)的 SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器），具有豐富的通用I / O 瑞口。通信模塊采用 ZM470 系列芯片，該芯片是基于SX1278 芯片進行優(yōu)化封裝，不但具有原芯片的全部功能而且通過良好的優(yōu)化，使該芯片更方便開發(fā)。

5 結束語

經過實際測試驗證，以 LoRa無線擴頻技術為基礎研發(fā)的無線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)射功率、接收靈敏度、通信距離以及通信可靠性等技術指標都非常優(yōu)秀，而且完美契合電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的需求，功耗和距離測試驗證了 LoRa無線通信技術的低功耗、超長距的巨大優(yōu)勢。本文的研究，可以直接推廣到未來無線低功耗小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測領域，具有非常實際的應用價值。依托于 LoRa 無線通信的技術優(yōu)勢，后期可考慮在組網算法以及行業(yè)應用方面展開研究。

參考文獻

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