智慧校園之基于LoRa技術的環境檢測分析系統

江武志 羅玉文

摘 要：基于LoRa的環境檢測分析系統由傳感器采集環境數據，通過LoRa通信模塊傳輸到LoRa網關，后臺服務程序通過訂閱MQTT代理從LoRa網關獲取傳感器采集的環境數據，后臺服務程序對采集的數據進行存儲、統計、分析；后臺服務程序提供統一的RESTful數據接口供應用層調用；Web前端頁面展示實時數據和統計分析數據查詢。實現對校園環境的實時檢測和數據統計分析。

關鍵詞：LoRa；傳感器；環境檢測；統計分析

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-04

0 引 言

隨著物聯網時代的到來，校園信息化建設也進入了“智慧校園”的時代，校園環境全面感知是“智慧校園”的基礎，對校園環境進行檢測分析，為校園環境治理提供依據以及為校園環境保護規劃提供基礎數據。傳統通過RJ45網口或RS485通信方式采集數據的有線網絡方案具有布線難、布線成本高、傳輸距離短等缺點。LoRa 是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗折衷的考慮方式，是一種能夠簡單實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而可擴展傳感網絡。LoRa網絡易于建設和部署，具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本的特性，已成為當前應用最普遍的物聯網專用網絡通信技術，發展形勢如火如荼。隨著中國LoRa應用聯盟（CLAA）的成立，LoRa技術的CLAA網絡架構方案已經形成，國內LoRa網絡部署全面起跑。

LoRa技術具有部署簡單、成本低、易于維護、云聯網等特點，是本文系統構建的首選。

1 設計思路

基于LoRa的環境檢測分析系統采用分布式、微服務設計方式，將服務細分，使每個服務的功能盡可能單一，降低服務之間的耦合，使系統可獨立部署運行和擴展。微服務可以做負載均衡，提高了性能和可靠性。

本系統主要由傳感層、網關、后臺服務、應用層（Web）組成。

（1）傳感層由RS 485溫濕度傳感器、RS 485 PM2.5粉塵傳感器、RS 485電表構成，通過RS 485總線接入到LoRa通信模塊；

（2）網關由LoRa通信模塊和嵌入式工控機構成；

（3）后臺服務提供數據存儲、統計、分析服務和統一的RESTful數據接口；

（4）Web提供數據展示和數據查詢等用戶交互頁面。

系統結構如圖1所示。

2 LoRa簡介

目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等。

2.1 LoRa特性

LoRa技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本等特性。

2.2 LoRa網絡

LoRa網絡主要由終端（可內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、Server和云四部分組成，應用數據可雙向傳輸。LoRa網絡架構如圖2所示。

2.3 LoRaWAN協議

LoRaWAN是 LoRa聯盟推出的一個基于開源MAC層協議的低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network， LPWAN）標準。這一技術可為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球網絡。LoRaWAN瞄準的是物聯網中的一些核心需求，如安全雙向通信、移動通信和靜態位置識別等服務。該技術無需本地復雜配置就可實現智能設備間的無縫對接互操作，為物聯網領域的用戶、開發者和企業提供自由操作權限。

3 系統設計

3.1 硬件接入

RS 485數據采集器（溫濕度、空氣質量、電表）通過RS485總線接入LoRa通信模塊，通過LoRa通信模塊將數據采集器采集到的數據傳輸到網關端的LoRa通信模塊。數據采集器端數據為被動上傳方式，由網關定時下發指令獲取數據。

3.2 網關程序

網關（Gateway）又稱網間連接器、協議轉換器。網關在傳輸層上實現網絡互連，是最復雜的網絡互連設備，僅用于兩個高層協議間的網絡互連。

網關程序主要由RS 232轉TCP驅動程序、數據采集程序、數據儲存程序、數據上傳程序、MQTT程序（數據生產者）組成。LoRa通信模塊通過RS 232接入嵌入式工控機，通過RS 232轉TCP驅動程序將LoRa接收到的采集數據統一轉換為TCP協議，數據采集程序通過Socket通信獲取數據。網關程序結構如圖3所示。

4 MQTT服務

4.1 MQTT簡介

MQTT是基于二進制消息發布/訂閱編程模式的消息協議，最早由IBM提出，如今已成為OASIS規范。由于規范較簡單，非常適合需要低功耗和網絡帶寬有限的IoT場景。

4.2 MQTT設計原則

（1）精簡，不添加可有可無的功能。

（2）發布/訂閱（Pub/Sub）模式，方便消息在傳感器之間傳遞。

（3）允許用戶動態創建主題，零運維成本。

（4）把傳輸量降到最低以提高傳輸效率。

（5）把低帶寬、高延遲、不穩定的網絡等因素考慮在內。

（6）支持連續的會話控制。

（7）理解客戶端計算能力可能較低。

（8）提供服務質量管理。

（9）假設數據不可知，不強求傳輸數據的類型與格式，保持靈活性。

4.3 MQTT發布/訂閱模式

與請求/回答這種同步模式不同，發布/定義模式解耦了發布消息的客戶（發布者）與訂閱消息的客戶（訂閱者）之間的關系，這意味著發布者和訂閱者之間無需直接建立聯系。

（1）發布者與訂閱者不必了解彼此，只要認識同一個消息代理即可。

（2）發布者和訂閱者不需要交互，發布者無需等待訂閱者確認而導致鎖定。

（3）發布者和訂閱者不需要同時在線，可以自由選擇時間來消費消息。

4.4 MQTT主題

MQTT通過主題對消息進行分類，其本質是一個UTF-8字符串，可通過反斜杠表示多個層級關系。主題無需創建，直接使用即可。

主題還可通過通配符進行過濾。其中，“+”可以過濾一個層級，而“·”只能出現在主題最后，表示過濾任意級別的層級。舉例如下：

building-b/floor-5：代表B樓5層的設備。

+/floor-5：代表任何一個樓的5層的設備。

building-b/·：代表B樓所有的設備。

雖然MQTT允許使用通配符訂閱主題，但并不允許使用通配符廣播。

4.5 MQTT服務質量

為了滿足不同的場景，MQTT支持三種不同級別的服務質量（Quality of Service，QoS），為不同場景提供消息可靠性：

（1）級別0：盡力而為。消息發送者會想盡辦法發送消息，但遇到意外并不會重試。

（2）級別1：至少一次。消息接收者如果沒有知會或者知會本身丟失，消息發送者會再次發送以保證消息接收者至少會收到一次，但也可能造成重復消息。

（3）級別2：恰好一次。保證這種語義肯定會減少并發或者增加延時，但如果丟失或重復消息不可接受時，級別2最合適。

級別2所提供的不重不丟在很多情況下都是最理想的，但往返多次的確認會給并發和延遲帶來影響。級別1提供的至少一次語義在日志處理場景下完全足夠，所以像Kafka這類系統利用此特點減少確認，可大大提高并發。級別0適合雞肋數據場景，暫且保留。

4.6 MQTT消息類型

MQTT擁有14種不同的消息類型：

（1）CONNECT：客戶端連接到MQTT代理。

（2）CONNACK：連接確認。

（3）PUBLISH：新發布消息。

（4）PUBACK：新發布消息確認，是QoS 1給PUBLISH消息的回復。

（5）PUBREC：QoS 2消息流的第一部分表示消息發布已記錄。

（6）PUBREL：QoS 2消息流的第二部分表示消息發布已釋放。

（7）PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分表示消息發布完成。

（8）SUBSCRIBE：客戶端訂閱某個主題。

（9）SUBACK：對于SUBSCRIBE消息的確認。

（10）UNSUBSCRIBE：客戶端終止訂閱的消息。

（11）UNSUBACK：對于UNSUBSCRIBE消息的確認。

（12）PINGREQ：心跳。

（13）PINGRESP：確認心跳。

（14）DISCONNECT：客戶端終止連接前通知MQTT代理。

4.7 MQTT代理

Mosquitto是MQTT的開源代理，遵循MQTT v3.1.1協議。

5 后臺服務

后臺服務采用Java語言編寫，由數據解析服務、數據存儲服務、數據統計分析服務、用戶管理模塊、設備節點管理模塊、實時數據模塊組成。后臺服務結構如圖4所示。

5.1 數據解析服務

數據解析服務程序主要負責將網關上傳的環境數據進行協議解析，獲得溫濕度、PM2.5、用電量等數據，并將解析的數據存入Rides緩存，由相應的服務程序獲取并做相應的處理。

5.2 數據存儲服務

數據存儲服務程序從Rides緩存中獲取解析后的數據，將相應的數據存入MySQL對應的數據庫表中。

5.3 數據統計分析服務

統計當月平均每天的（24小時平均值）溫度、濕度；統計當月每天PM2.5污染指數與指數類別；統計當月每天的用電量。數據統計如圖5所示。

5.4 用戶管理模塊

用戶管理模塊提供用戶添加、用戶刪除、用戶信息修改、密碼更改、用戶列表查詢、用戶登陸、注銷等功能。如圖6所示。

5.5 設備節點管理模塊

設備節點管理模塊可提供設備節點添加、設備節點刪除、設備節點信息修改、設備節點列表查詢等功能，如圖7所示。

5.6 實時數據模塊

實時數據模塊可獲取各監測點當前的實時溫濕度、PM2.5、用電量，如圖8所示。

6 數據建模

功能建模如圖9所示。

數據建模如圖10所示。

編號：001

職責：存儲采集的數據。

屬性：ID，溫度，濕度，PM2.5，電流，電壓，功率，（總）用電量，創建時間。

說明：數據采集類與數據天統計類存在依賴關系，數據天統計類每天數據的生成依賴數據采集類采集的數據。

編號：002

職責：對每天采集的數據進行統計。

屬性：ID，平均溫度，平均濕度，平均 PM2.5 濃度，（當天）用電量，創建時間。

說明：數據天統計類與數據采集類存在依賴關系， 數據天統計類每天數據的生成依賴數據采集類采集的數據。

7 結 語

本環境檢測分析系統通過溫濕度傳感器、PM2.5粉塵傳感器、電表采集校園的環境數據和用電數據，實時檢測校園的環境情況。通過歷史數據統計分析校園的環境情況以及校園用電情況，為校園環境治理提供依據，為校園環境保護規劃以及校園節能提供基礎數據，也為未來的“智慧校園”提供數據支持。

參考文獻

[1] AUGTEK物聯網觀察-LoRa技術科普[Z].

[2]張琪.MQTT入門[Z].

[3]宋延軍，梁俊艷，王德志.基于LoRa的10 kV架空線路故障監測系統設計與實現[J].華北科技學院學報，2017，14（5）：30-34.

[4]趙太飛，陳倫斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2016，24（9）：298-301.

[5]馬路遙，徐鵬.基于LoRa擴頻技術在燃氣無線抄表系統的應用[J].城市燃氣，2016（7）：7-9.

[6]霍振龍.LoRa技術在礦井無線通信中的應用分析[J].工礦自動化，2017，43（10）：34-37.

[7]羅貴英.基于LoRa的水表抄表系統設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2016.

[8]鄭浩. LoRa技術在低功耗廣域網絡中的實現和應用[J].信息通信技術，2017（1）：19-26.