基于LORA物聯網的人防工程三防控制系統

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210000)

人防工程三防控制系統的基本功能是在戰時遭受核生化襲擊情況下，快速、準確地實現清潔式通風、濾毒式通風和隔絕式通風之間的轉換，是確保整個人防工程內部人員安全的核心系統[1-2]。

但目前主要實現方式都是將遠端待控設備通過PLC與監控主機相連，需要布設通信和控制電纜，這樣不僅需要在防護墻上留有洞孔，影響墻體隔絕性能，還會帶來線路本身就有的高成本、高維護等問題。

隨著物聯網技術的發展，出現了低功耗廣域網(即LPWAN)，可最大程度地實現更長距離無線通信與更低功耗。同時，一個標準通信網關可以接入大量傳感器與控制器節點，極大地降低了安裝成本和維護費用。

綜上，研究探討基于LORA物聯網的人防工程三防控制系統是非常有意義的。為此，運用LORA技術搭建了整套三防控制系統，并不斷開展研究探索。本文是由架構到實際系統搭建過程的介紹，在給出三防轉換總體架構和技術體系的基礎上，結合相應的案例介紹了基于LORA無線網絡三防控制系統的主要功能和工程應用方法。

1 LORA物聯網概述

LORA是一種基于擴頻的低功耗長距離無線通信技術，處在GHz級以下的頻段，使其更易以很低功耗遠距離通信。除低功耗之外，LORA采用的433 MHz頻帶接收靈敏度可達-148 dBm，相比于其他Sub-GHz技術，接收靈敏度提高了20 dBm以上，覆蓋范圍在空曠地區可達15 km以上。由于節點的超低功耗，同等條件下，電池供電時壽命是其他低功耗廣域網技術的3～5倍，使其可選多種供電方式，并可靈活安裝調試[3]。

LORA信號對建筑的穿透力很強，尤其是它的Chirp擴頻調制技術，在延續移頻鍵控調制的低功耗特性上，增大了通信范圍和抗干擾性，使用不同擴頻因子的終端設備即使用相同的頻率同時發送也不會產生干擾，被廣泛應用于軍事和航天通信。綜上， LORA是實現三防轉換控制可行的技術手段。

作為同時發展起來的另一種低功耗廣域網技術，NBIoT同樣支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。NBIoT基于運營商網絡，使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等3種部署方式，與現有網絡共存。而LORA使用的是非授權頻段，支持自行組建網絡，對安全信息有更好的保護。所以，針對保密性要求高的地下人防工程，采用LORA組網技術是更好的選擇[4]。

2 基于LORA物聯網的人防工程三防控制系統總體架構

人防工程三防控制系統需要快速準確地實現清潔、濾毒、隔絕三種通風方式的轉換控制。如果新建工程直接采用LORA三防控制系統，可以節省大量時間和資金。由于舍掉了部分線纜的鋪設，相比老式工程，穩固性也有所提升。所以，需要一套完整的架構體系，適用于完全以LORA控制為核心建設的新人防工程。

基于LORA的人防工程三防控制系統架構如圖1所示，主要包括LORA監測與控制終端節點，用于遠程控制設備以及環境參數監測。監控終端的數據通過LORA網絡匯總到網關后，再由網關經WiFi網絡傳至上位監控主機，用于遠程監控和三防轉換控制。因為工程墻體厚重，對LORA信號影響很大，加上工程本身的不規則性，很多時候需要布置多個網關，采用輪流查詢的方式進行主從通信以提高控制的可靠性，并選擇WiFi連接到監控主機，可以節省主機接口。LORA/WiFi網關作為兩個網絡層之間的核心部分，可實現數據的雙向協議轉換和傳輸。

以上基于LORA物聯網的系統架構，對于現有的人防工程，可以兼顧以前的線纜連接和 WiFi連接，更快地對原有控制系統進行升級，一邊應用一邊進行LORA物聯網改造，減少了改造過程中對三防系統運行的影響。對于新建工程，可以實現完全以LORA為主的三防控制系統。

圖1 基于LORA物聯網的三防控制系統總體架構

3 LORA現場測控節點設計

3.1 溫濕度監測節點設計

為了簡化節點實現，并保證溫濕度在線檢測的快速與準確，選用智能數字溫濕度傳感器SHT11，它的測量精度高，濕度精度可達3%，溫度精度可達0.4 ℃。傳感器通過了AEQ100 溫度等級2的標準測試，且性能穩定。

該傳感器與微處理器采用I2C通信協議，數據傳輸僅需兩根線，占用CPU端口少，這樣可以使節點設計非常簡潔。LORA通信模塊內置了STM32L151CB微處理器,使得溫濕度監測節點的設計大為簡化,節點結構如圖2所示。

圖2 溫濕度監測節點硬件結構圖

3.2 設備測控節點設計

設備測控節點的的總體設計如圖3所示。設備監控節點的主要功能是監測人防工程中風機、閥門等設備的實時運行狀態，控制這些設備的啟動停止等。由于測控節點與斷路器等強電設備安裝在同一個控制箱中，通信模塊等電子電路應采取防電磁干擾措施，以提高設備監測控制的可靠性。

圖3 設備測控節點硬件結圖

所以，測量和控制信號的輸入輸出采用光耦進行隔離，可避免強電回路的電磁干擾對敏感的監測控制電路的影響，以提高系統節點的可靠性。

LORA通信模塊可以有不同的工作模式，平時可選用A類終端設備通信，降低功耗，而在戰時可切換到C類終端設備通信，連續地打開接收窗口，僅在發送時關閉。所以 C類的功耗要高于A類，但C類更利于實時控制。

設備測控節點軟件實現框圖如圖4所示，啟動模塊為程序的入口，下面4個函數并列為底層實現部分，主要包括節點初始化、輸入通道狀態讀取及控制命令輸出處理、LORA網絡通信命令處理等模塊。

圖4 設備測控節點的軟件實現框圖

3.3 網關通信節點設計

網關節點下行連接溫濕度監測節點和設備測控節點，接收人防地下工程的環境參數和設備運行狀態，上行通過UART串口連接上位機軟件，上傳接收到的溫濕度數據及設備運行狀態，作為LORA網絡與上位機軟件之間的通信網關。

其總體設計如圖5所示，系統采用標準LORA通信模塊作為網關節點，控制部分采用低功耗的STM32L151CB芯片，射頻部分采用Semtech公司的SX1278芯片，控制芯片通過AT指令可以對LORA通信參數進行設置[5]。

圖5 網關節點硬件結構圖

4 系統實現案例

下面介紹采用所研制的LORA測控節點構建三防控制系統的實例，該實例實現一個基本的三防控制系統功能，以對這些節點的通信及測控功能進行驗證，同時也對基于LORA無線網絡實現三防控制進行驗證。實例系統的組成如圖1所示，包括上位監控主機、LORA測控節點，主機和LORA測控節點之間通過一個LORA網關通信節點進行通信。

4.1 現場測控節點通信

實際的三防控制系統都包括多個溫濕度和設備測控節點，為了實現網關節點與現場測控節點之間的通信，需要設計一個通信協議。為了簡化協議實現，并便于與上位機監控軟件進行通信，采用了工業控制系統中最常用的Modbus-RTU協議[6-7]。在本實例系統中，LORA網關節點作為Modbus通信的主節點(主站)，現場的LORA測控節點作為從站。在系統運行中，監控主機通過主節點給現場的從節點發送數據采集或設備控制命令。

現場的LORA節點通過LORA網絡接收到相關命令后，執行數據或設備控制命令，是采集或從發起數據采集或設備控制通信，并將執行結果通過LORA網絡返回給監控主機。

4.2 LORA網絡與WinCC接口

本實例采用WinCC作為上位機組態軟件，負責實現監控畫面和監測、控制功能。為了實現WinCC與LORA節點網絡的數據通信，采用KEPServer作為實時數據采集和控制OPC服務器，并作為監控主機和LORA網絡的軟件通信網關。WinCC支持OPC協議，可以直接和KEPServer進行數據交換[8]。

KEPServer中建立輸入型變量來保存現場節點采集的實時數據，建立輸出型變量保存需要發送的現場節點的控制命令。

圖6為OPC服務器上所建立的部分變量，其中包括Boolean型變量和Word型變量，前者負責傳送設備狀態和控制指令數據，后者負責傳送溫濕度數據。

圖6 部分OPC服務器變量示例

4.3 實例系統的功能

上位機軟件需要具有用戶管理、操作記錄查詢、三防轉換控制、參數監測以及警報系統等功能，具體功能架構如圖7所示。

其中，用戶管理系統分為管理員操作和用戶登錄兩個部分，管理員擁有整個監控系統的最高權限，可以設置用戶和調試系統功能，普通用戶擁有三防轉換控制權限、監控權限和警報解除權限。

圖7 人防監控系統軟件功能架構

考慮到工控人員的交接班和日志管理問題，需要有操作記錄查詢功能，以便于在整個系統的運行期內，協調各操作員的工作。

三防轉換控制按照人民防空地下室設計要求，分為清潔式通風、濾毒式通風和隔絕式通風，在需要的時候能夠可靠快速地轉換，3種通風方式轉換控制畫面如圖8所示。

圖8 三防轉換控制系統組態畫面

參數監測包括設備運行狀態監測和環境參數監測，其中環境參數主要為溫度和濕度，設備運行狀態包括過載、故障等。圖9為溫濕度實時曲線圖畫面。除上述系統外，在檢測到設備和環境參數出現異常狀態時應及時發出通知給值班人員，加快故障清除速度，保障系統運行的可靠性，并保存報警記錄，以備分析。

圖9 溫濕度實時曲線

5 結束語

實例系統的實際運行測試結果表明，基于LORA物聯網的人防工程三防控制系統能夠可靠穩定地實現三防轉換和環境參數監控功能。在經濟性上，LORA互聯網技術卓越的穿透能力和很高的靈敏度，極大地方便了系統的布設，降低了線纜鋪設與維護管理費用。綜合展望，LORA物聯網技術可以很好地應用于人防工程的智能化改造。