基于LoRa的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 敏, 周治平

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，遠程監(jiān)測技術(shù)出現(xiàn)在人們的生活和工作中。不可否認，物聯(lián)網(wǎng)軟件、安全、云計算以及用戶接口已經(jīng)趨于成熟，無線短距離通信技術(shù)，如WiFi、ZigBee、藍牙等均能實現(xiàn)遠程監(jiān)測需求[1]，且在實際中已存在著較多應(yīng)用案例。文獻[2]討論了基于通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)和ZigBee技術(shù)的嵌入式智能家居控制系統(tǒng)，通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)主控制器和終端節(jié)點之間的通信。而移動客戶端實現(xiàn)家庭設(shè)施的信息采集和遠程監(jiān)控；文獻[3]提出以太網(wǎng)與CC-Link相結(jié)合的遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫室大棚的遠程監(jiān)控；文獻[4]提出心電圖(electro-cardio-graph,ECG)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，專門針對需要在居住環(huán)境中進行長期健康監(jiān)測的非技術(shù)用戶。以上這些應(yīng)用采用了不同的無線通訊方式，均實現(xiàn)了遠程監(jiān)控的需求，但環(huán)境監(jiān)測、煙霧報警、電力監(jiān)測這些應(yīng)用所需數(shù)據(jù)量較小，對實時性要求并不高，無需進行頻繁通信，而這些監(jiān)測系統(tǒng)卻消耗大量功耗在監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)隨時可能發(fā)起的請求上，在需要大面積進行傳感器部署時，存在很大的資源浪費。文獻[5～7]均采用LoRa技術(shù)既滿足了大量連接需求，且節(jié)點無需時刻處于監(jiān)聽狀態(tài)，在保證遠距離通信傳輸?shù)耐瑫r，可以最大限度地降低功耗，節(jié)約成本[8]。但目前已實現(xiàn)的基于LoRa的監(jiān)測系統(tǒng)存在著可擴展性弱、運行效率低的問題，大多系統(tǒng)只是針對于某一參量的信息采集，且部署的服務(wù)器端大多數(shù)基于虛擬機，運行效率較低。

本文設(shè)計了一種基于LoRa的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用Docker容器技術(shù)[9]部署服務(wù)器端，大大提高運行效率，多種應(yīng)用可并行運行，管理人員可通過監(jiān)控管理平臺進行應(yīng)用和節(jié)點管理。為網(wǎng)絡(luò)避免擁塞，在LoRaWAN的基礎(chǔ)上采用了ADC-MAC協(xié)議[10]來提高LoRa網(wǎng)絡(luò)性能。此外，用戶可通過服務(wù)器提供的串口通訊接口，調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，設(shè)計應(yīng)用Web界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于LoRa的遠程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。針對多種應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中，含大量內(nèi)嵌SX1278射頻模塊的傳感器，它們采集到的信息經(jīng)由一個或多個網(wǎng)關(guān)發(fā)送至對應(yīng)應(yīng)用的子數(shù)據(jù)庫中，同時同步到總數(shù)據(jù)庫，后臺調(diào)用管理數(shù)據(jù)庫，并在監(jiān)測管理平臺顯示。用戶可以客戶或管理員身份登錄監(jiān)測管理平臺進行數(shù)據(jù)查詢，節(jié)點管理等等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及無線傳輸模塊，負責(zé)采集參數(shù)，進行簡單處理，經(jīng)由無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。

1)檢測模塊：根據(jù)應(yīng)用的不同，接入的傳感器也不盡相同，用戶根據(jù)所需接入相應(yīng)的傳感器。

2)數(shù)據(jù)處理模塊：主要由STM32系列微處理器組成。STM32是基于ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核的32位閃存微控制器[11]，專為高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用設(shè)計。

3)無線傳輸模塊：SX1278射頻芯片是其核心，用于超長距離擴頻通信，靈敏度可達-148 dBm,最大鏈路預(yù)算可達168 dB，抗干擾能力強，能最大限度地降低電流消耗。

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由多個網(wǎng)關(guān)組成，功能框圖如圖2所示，其CPU基于ARM11處理器，內(nèi)存為512KB RAM+4GB EMMC,采用硬件看門狗定時器電路，監(jiān)控主程序運行，避免進入死循環(huán)。

圖2 網(wǎng)關(guān)功能框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 環(huán)境構(gòu)建與功能設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)測管理平臺是一個私有云平臺，網(wǎng)絡(luò)專用，內(nèi)網(wǎng)傳輸，安全性較高。平臺采用Docker技術(shù)，將多個Web服務(wù)組件部署在多個Docker容器上，然后將整個Web服務(wù)系統(tǒng)組件連同其運行環(huán)境固化成Paas服務(wù)，向云端遷移和擴展。后臺數(shù)據(jù)的存儲采用mysql為主存儲，redis為輔助存儲形式減少對數(shù)據(jù)庫的訪問，提高性能。采用Nginx結(jié)合Lua腳本連接操作MySQL的方法，為避免短時間保持客戶端與服務(wù)端的連接狀態(tài)，在頻繁通信的情況下，容易發(fā)生Socket出錯的情況，MySQL選用長連接方式，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定。整個系統(tǒng)功能設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是所有數(shù)據(jù)的來源，通過安放在監(jiān)控區(qū)域多個傳感器采集數(shù)據(jù)。該子系統(tǒng)的任務(wù)是將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS模塊傳輸至數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)中心包含各應(yīng)用的子數(shù)據(jù)庫及總數(shù)據(jù)庫，兩者之間數(shù)據(jù)同步。根據(jù)用戶需求不同，分為客戶和管理員兩種身份，以保證平臺的安全性和規(guī)范性。客戶主要是負責(zé)自己所轄?wèi)?yīng)用的管理工作，具體包括應(yīng)用創(chuàng)建、節(jié)點管理。管理員是整個平臺的管理者，負責(zé)用戶信息管理、應(yīng)用管理、節(jié)點監(jiān)控及數(shù)據(jù)維護。平臺功能可分為5個模塊用戶認證與權(quán)限管理、數(shù)據(jù)接入和存儲、數(shù)據(jù)查詢管理、監(jiān)測管理、異常情況報警。

2.2 LoRaWAN規(guī)范實現(xiàn)

2.2.1 ADC-MAC規(guī)范概述

LoRaWAN規(guī)范是星型拓撲結(jié)構(gòu)，終端連接網(wǎng)關(guān)是直接通過LoRa無線鏈路的。根據(jù)實際情況，LoRaWAN將設(shè)備分成A、B、C三種類型，A類功耗最低。在A類中，終端以ALOHA類型按照自身要求發(fā)送數(shù)據(jù)包，在發(fā)送上行鏈路后，終端打開兩個下行接收窗口，剩余的時間便進入睡眠狀態(tài)。在接收到任何窗口的下游消息，終端才會安排下一個上行鏈路。終端下一次訪問信道的時間是由終端本身決定的而不是其他因素，這種機制并不考慮節(jié)點負載、不同監(jiān)測點的位置以及無線傳感網(wǎng)的大小，很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。為解決這個問題，采用了ADC-MAC協(xié)議來平衡能源功耗和網(wǎng)絡(luò)性能。

在該協(xié)議中，每個終端異步和動態(tài)調(diào)整占空比都是基于3個指標(biāo)：殘余能量指標(biāo)、節(jié)點負載指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)擁塞指標(biāo)。殘余能量指標(biāo)

(1)

式中Eremaining為傳感器節(jié)點殘余能量，Einitial為節(jié)點初始能量。節(jié)點負載指標(biāo)如下

(2)

式中Nbuffer為由傳感器節(jié)點緩沖的當(dāng)前數(shù)據(jù)包數(shù)量，Nmax為傳感器節(jié)點生成的總數(shù)據(jù)包量。

LoRa網(wǎng)關(guān)和終端支持多信道通信，將信道表示為i∈(1,…,N)。在一個周期T內(nèi)，終端存在一個上行計數(shù)器Chanl_up_Cnt[i]，當(dāng)終端在任意信道上發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，這個信道相應(yīng)的上行計數(shù)器加1。同時重發(fā)計數(shù)器Chal_Re_Cnt[i]計算重發(fā)次數(shù)，當(dāng)終端沒有在預(yù)定時間內(nèi)接收到ACK字符，相應(yīng)的信道計數(shù)器加1。終端會隨機選擇另外的信道重新傳輸。一個周期后，終端計算出信道的繁忙率

(3)

從而計算出網(wǎng)絡(luò)繁忙度如下

(4)

通過網(wǎng)絡(luò)擁塞指標(biāo)更精確反映網(wǎng)絡(luò)交通負載

(5)

2.2.2 ADC-MAC協(xié)議流程

步驟1:在每個終端入網(wǎng)后，會記錄初始的包緩沖區(qū)，初始化任務(wù)周期φ，并將定時器1設(shè)為周期T。

步驟2:如果終端工作在第一個周期T中，使用初始化的占空比通信，否則使用計算后占空比。當(dāng)終端傳輸上行鏈路時，記錄傳輸時間Tt并將定時器2設(shè)為T2=Tt(1/φ-1)。這樣除了在固定時間內(nèi)打開窗口1,2接收下游消息;

步驟3:當(dāng)定時器2結(jié)束后，如果有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，終端會返回至步驟2，否則繼續(xù)處于休眠狀態(tài)，等待下一個數(shù)據(jù)傳送。

步驟4:終端等待定時器1結(jié)束，計算3個指標(biāo)，殘余能量α指標(biāo)、節(jié)點負載β、網(wǎng)絡(luò)擁塞率γ，并計算占空比φ=(α+β)/2γ+η用于下個周期。

步驟5:終端將上行計數(shù)器Chanl_up_Cnt[i]、信道繁忙率σ[i]和重發(fā)計數(shù)器歸零Chal_Re_Cnt[i]，但需要保持網(wǎng)絡(luò)擁塞率γ用于在下個周期T中衡量網(wǎng)絡(luò)運行負載。同時，終端將設(shè)置好定時器1，跳轉(zhuǎn)到步驟2中。

2.2.3 數(shù)據(jù)獲取與調(diào)用

LoRa網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點均是雙工通信，但主要以傳感器上行傳輸數(shù)據(jù)為主。圖4為系統(tǒng)的軟件流程。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)是通過WebSocket消息傳送獲取的，寫入數(shù)據(jù)庫中便于數(shù)據(jù)調(diào)用。在建立WebSocket連接時，必須在地址中加入創(chuàng)建的應(yīng)用標(biāo)記appEUI和用來客戶調(diào)用API安全驗證userSec加密的token，服務(wù)器驗證通過才能建立WebSocket連接，否則連接失敗。在成功連接MySQL后，結(jié)合Lua中的Template組件，直接寫入動態(tài)數(shù)據(jù)，渲染成頁面，響應(yīng)前端。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

2.3 數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計

考慮到從傳感器采集到的每一幀數(shù)據(jù)編碼不一致，需重新編碼打包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，編碼規(guī)則如下：每一幀由16位字節(jié)表示，其中包含2字節(jié)幀頭、1字節(jié)設(shè)備號、12字節(jié)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、1字節(jié)校驗位，嚴(yán)格遵循著LoRaWAN規(guī)范物理層(physisal layer,PHY)上行射頻幀的模式。表1為溫濕度應(yīng)用中消息包的格式。

表1 消息包格式

系統(tǒng)Server端包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器和客戶端，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器直接與網(wǎng)關(guān)通信，其工作為：1)驗證數(shù)據(jù)的合法性。2)從網(wǎng)關(guān)的信息中提取數(shù)據(jù)，整理成JSON數(shù)據(jù)包。3)將校驗合法的數(shù)據(jù)打包成新的JSON數(shù)據(jù)包上傳至應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器負責(zé)將上傳的JSON包的Payload部分進行解密。之后，客戶端將應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理成用戶自定義的數(shù)據(jù)格式。

3 溫濕度監(jiān)測設(shè)計

針對系統(tǒng)可擴展性強、多應(yīng)用特征，設(shè)計了溫濕度監(jiān)測應(yīng)用。Web界面設(shè)計是基于OpenResty平臺如圖5所示，通過Socket通信實時調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點數(shù)據(jù)，以圖表方式呈現(xiàn)。左邊下拉菜單選擇設(shè)備號，查看實時溫度、濕度、壓強，其中溫度參數(shù)實時繪制成了折線圖，動態(tài)添加數(shù)據(jù)時，曲線左移，可直觀看出24 h內(nèi)的溫度變化趨勢可直接查看某一時間點溫度值。此外，監(jiān)測管理平臺可以管理應(yīng)用節(jié)點，查看節(jié)點狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)。實驗證明，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，給開發(fā)應(yīng)用提供了很大的便利。

圖5 環(huán)境監(jiān)測界面

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用LoRa通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。在該系統(tǒng)中，構(gòu)建了一個基于Docker容器技術(shù)的監(jiān)測管理平臺，可應(yīng)用于多種監(jiān)測。通過溫濕度應(yīng)用試驗證明，該監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作方便、適用范圍廣。