基于LoRa物聯網技術的實驗室安全監測系統的設計與實現

劉輝席，楊 禎，朱 珠，劉守印

基于LoRa物聯網技術的實驗室安全監測系統的設計與實現

劉輝席1，楊 禎2，朱 珠1，劉守印1

（1. 華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079；2. 中南財經政法大學 金融學院，湖北 武漢 430073）

考慮高校實驗樓布局復雜、實驗室面積大且位置相對分散等特點，采用具備長距離、大容量、低功耗、低成本等特點的LoRa（long of range）無線通信技術，設計并實現了一套基于LoRa技術的實驗室安全監測系統。該系統由LoRa節點、LoRa網關、服務器、展示終端或手機4部分組成。該系統部署方便，無需對實驗室改造，成本低廉、報警及時，具有很強的實用性。

LoRa技術；實驗室安全；監測系統

隨著高校教育事業的發展和科技創新能力的提升，高校實驗室數量明顯增加，規模不斷擴大[1]。實驗室作為實驗教學、科學研究、比賽培訓的重要基地，不僅是培養學生實踐能力、創新能力、綜合素質的必備場所[2]，同時也是高校人財物高度集中、安全事故易發的重要部位[3]。2008年3月13日，某校一木制辦公大樓失火，10多個實驗室全部被毀，損失慘重[4]；上海某高校實驗樓2009年多次發生失竊案件，竊賊夜間翻越樓梯防護窗進入二樓陽臺，再撬開窗戶爬入實驗室，多臺筆記本電腦被盜[5]。這種實驗室火災、盜竊等安全事故屢發，且近年來愈演愈烈。實驗室事故不僅打亂了學校正常的教學、科研秩序，更重要的是造成了國家財產損失和人員傷亡[6]。物聯網技術的快速發展為實驗室的安全問題帶來了新的解決方案，主要包括：基于視頻監控的方式，該方式未對圖像實時處理，仍需人工盯守，安全事故報警的實時性不高，只能作為事后查看的參考依據，不能事前預警[7]；若對視頻實時解析并處理，則需要高配置的服務器，成本高昂[8]；基于RS485總線方式的系統需要重新布線，消耗大量的人力物力財力；基于ZigBee技術的方式通信距離近，對于大型實驗室有一定的局限性。

本文考慮高校實驗室占用面積大、位置相對分散、安全因素眾多等特點，結合LoRa技術通信距離遠、功耗低、成本低、代碼開源等優勢，設計并實現了基于LoRa物聯網技術的實驗室安全監測系統。該系統部署簡單，無需重新布線且能實時監測、及時報警，具有較強的針對性和實用性。

1 LoRa技術

LoRa技術是由Semtech公司開發，工作在1 GHz以下，提供868 MHz、915 MHz、433 MHz 3個頻段[9]，專為長距離、大容量、低功耗通信設計的新型無線通信技術[10]。LoRa采用Chirp擴頻調制技術，支持可變/自適應數據速率，在保持恒定帶寬的同時，能夠在覆蓋范圍、穩定性、功耗之間進行權衡[11]。

LoRa技術相對于其他無線技術的優勢在于遠距離傳輸、低功耗以及高達0.3~50 kbs的數據傳輸速 率[12]，大大增強了通信質量以及網絡容量，同時LoRa信號對于建筑的穿透能力很強，這使得其更適合于大規模物聯網部署。特殊擴頻技術使得其通信鏈路預計達到15 km左右，接收電流僅10 mA，大大提高了電池使用時間[13]?；贚oRa的擴頻芯片，可以實現節點與網關直接組網連接，構成星型網絡架構，與網狀網絡架構相比，它是具有最低延遲、最簡單的網絡結構[14]。同時，為了推動LoRa技術的大規模應用，2015年3月LoRa聯盟成立，聯盟成員包括各國電信運營商、系統開發商、設備制造商、芯片廠商、傳感器廠商等，聯盟成員分布全球各地[15]。

2 系統總體設計

本系統由LoRa節點、LoRa網關、服務器、手機或計算機4部分組成，整體框圖如圖1所示。LoRa節點包括溫濕度檢測節點、煙霧報警節點、門禁檢測節點、水浸檢測節點4類，布署在不同的實驗室內，對相應實驗室的溫濕度、煙霧、門窗開關、是否漏水進行感知，并將采集到的數據通過LoRa無線傳至LoRa網關。所有節點均使用電池供電、無線傳輸，安裝方便，無需對實驗室進行改造，易于部署。

圖1 系統整體框圖

LoRa網關實現對LoRa節點的管理，收集各節點數據并進行數據解析與轉發，每棟實驗樓可根據實際情況安裝1個或多個LoRa網關。由于目前大多數高校的校園網已覆蓋，不同實驗樓的網關可通過以太網將數據匯總至LoRa服務器。LoRa服務器對數據進行存儲與處理，實驗室管理員可通過手機端的APP查看某一實驗室的溫濕度、煙霧、門禁、水浸等是否正常，一旦發生火災、盜竊、漏水等安全事故，會立即以短信或郵件的形式通知實驗室管理員，以便及時采取有效措施。同時還提供實驗室安全監測展示功能，實驗室管理員可通過展示終端對某一實驗樓所有實驗室的安全情況有一個整體的了解。

本系統可實現對實驗樓所有實驗室的溫濕度、火災、盜竊、漏水等安全事故24 h的實時監測，無需人工看守，一旦發現異常，立即報警，在極短的時間采取有效措施，將事故的危害降到最低，同時部署安裝方便，無需對實驗室進行改造，成本低、實用性強。

3 系統搭建

系統主要包括LoRa節點、LoRa網關與服務器、展示終端與手機APP。

3.1 LoRa節點

3.1.1 溫濕度檢測節點

實驗室作為實驗教學、科學研究的重要場所，其內的大部分儀器設備、化學試劑、動植物標本等的存放對于溫濕度有較高的要求，一旦發生儀器散熱不佳、通風不良等情況可能會導致實驗室內溫濕度的異常，造成設備及材料的損壞。本系統設計了一款溫濕度檢測節點實現對實驗室溫濕度的實時監測，一旦發現溫濕度不在設定的正常范圍內，即可調節空調、抽濕機以保證正常的環境，延長儀器設備的使用年限。溫濕度檢測節點的實物圖見圖2。

3.1.2 煙霧報警節點

火災報警作為實驗室安全的一個重要部分，傳統的煙霧報警器在發生火災后通常只能進行本地聲光報警，但如果實驗室處于無人值守的情況，該報警就失去了意義。本系統設計的煙霧報警節點對當前環境是否有煙進行實時監測，一旦發生火災立即實現本地聲光報警并將報警信息上傳至LoRa網關進行遠程報警，以便于管理人員和消防人員采取相應措施，這將很大程度地減少火災造成的財產損失。煙霧報警節點的實物圖見圖3。

圖2 溫濕度檢測節點實物圖

圖3 煙霧報警節點實物圖

3.1.3 門禁檢測節點

實驗室安全事故中盜竊案件屢見，造成了大量的財務被盜，損失慘重，實現對門窗開關的實時監測尤為重要。本系統設計了一款安裝于門窗上的門禁檢測節點，一旦發現門窗開關狀態異常，立即上報至LoRa網關，以短信和郵件的形式通知管理人員及時查看。該類節點的使用，可大大降低管理人員日夜看守的繁瑣性，加強安全管理。門禁檢測節點的實物圖見圖4。

圖4 門禁檢測節點實物圖

3.1.4 水浸檢測節點

水浸檢測節點可以實現對實驗室內是否漏水進行檢測，當發生漏水時，節點會立即將異常信息上傳，從而通知管理員以及時采取措施對實驗室財產進行保護，以免發生因漏水引起的電失火、網絡癱瘓等嚴重性問題。水浸檢測節點的實物圖見圖5。

3.2 LoRa網關與服務器

在通信覆蓋范圍內，LoRa網關對LoRa節點進行管理，其將各類節點的監測信息通過以太網的方式轉發至服務器。由于LoRa技術穿透性強、通信距離遠，單個網關即可實現對多層樓甚至一棟樓內所有實驗室的LoRa節點的管理。LoRa服務器對數據進行及時處理與存儲，并提供給展示終端與手機APP進行展示。同時，服務器還具備異常情況的報警功能，當發生溫濕度異常、有煙、門窗狀態異常、漏水等情況時，服務器將及時發送報警短信和郵件至實驗室管理人員。LoRa網關的實物圖見圖6。

圖5 水浸檢測節點實物圖

圖6 LoRa網關實物圖

3.3 展示終端與手機APP

系統提供2種展示方式：網頁展示終端（見圖7）和手機APP端（見圖8）。

網頁展示端以布局圖的方式展示出各實驗室的信息，用戶可以直觀方便地在界面上查看溫濕度、煙霧、門禁、水浸等信息。一旦實驗室發生溫濕度異常、有煙、門窗開關狀態異常、漏水等情況時，展示端界面立即出現報警提示，并發出聲音報警。該終端可放置在實驗樓大廳、值班室等地方。

圖7 網頁展示終端

與此同時，為了方便實驗室管理人員下班期間查看實驗室情況，本系統還具有手機APP查看功能。如圖8所示，手機APP端采用表格形式詳細列出了各樓層各實驗室溫濕度、煙霧、門禁等安全信息。管理人員除了添加管理節點、設置溫濕度報警閾值外，還可以添加報警提示郵箱及電話，當發生異常情況時，手機端將進行報警提醒，服務器也會向APP端預先設置的手機號及郵箱發送報警信息。手機APP端的應用將大大提高實驗室在無人值守情況下的安全性。

圖8 手機APP端

4 結語

針對目前實驗室環境安全信息監測不到位，當發生火災、盜竊、漏水等事故不能及時發現等問題，同時考慮現存解決方案存在的布線繁瑣、功能性差等缺點，本文充分利用LoRa技術低功耗、遠距離、大容量等各項優勢，完成了一款實驗室安全監測系統的設計。本系統提供實驗室內溫濕度、煙霧、門禁、水浸等信息實時監測與查看，發生異常及時報警等功能。同時，相較于傳統的實驗室安全監測方案，本系統的節點采用粘貼安裝方式，部署更加方便，單節電池使用壽命可達3年；通信采用無線遠距離通信，監測范圍更大；多類監測數據集中管理，功能更加完善；可遠程短信郵件報警，及時性更好；可視化界面進行展示，直觀性更強。本系統的應用，必將在很大程度上增加實驗室管理的便捷性、安全性，一旦發生事故可及時發現，將事故損失降到最低。

基于LoRa物聯網技術的實驗室安全監測系統已在我校物理學院電工電子中心部署接近一年時間，運行情況良好。

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Design and realization of laboratory safety monitoring system based on LoRa Internet of things technique

LIU Huixi1, YANG Zhen2, ZHU Zhu1, LIU Shouyin1

(1. College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2. School of Finance, Zhongnan University of Economics and Law, Wuhan 430073, China)

In consideration of the complex layout, large laboratory area and relatively scattered location of university laboratory buildings, a laboratory safety monitoring system based on LoRa (long of range) technology is designed and realized by using the LoRa wireless communication technology with the characteristics of long distance, large capacity, low power consumption and low cost. This system consists of four parts such as the LoRa node, LoRa gateway, server, display terminal or mobile phone. This system is easy to deploy, does not need to reform the laboratory, and has low cost, timely alarm and strong practicability.

LoRa technique; laboratory safety; monitoring system

TN92

A

1002-4956(2019)07-0243-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.060

2018-12-16

劉輝席（1994—），男，湖北黃岡，碩士研究生，主要研究方向為物聯網.E-mail: liuhuixi@mails.ccnu.edu.cn

劉守?。?964—），男，河南周口，博士生導師，教授，主要從事物聯網、大數據等方面的研究.