基于LoRa的無線安防控制系統(tǒng)設(shè)計

熊軍洲

摘 要：文章提出了一種基于LoRa的無線安防控制系統(tǒng)，由RFID、紅外檢測、門禁系統(tǒng)、報警系統(tǒng)，主控單元、LoRa節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器和客戶端組成，能夠?qū)崟r監(jiān)測并控制遠端安防設(shè)施，部署方便、易于擴展、價格低廉，具有較強的實用性。

關(guān)鍵詞：LoRa;無線安防;門禁系統(tǒng)

目前的安防系統(tǒng)大多數(shù)是基于有線通信的方式來實現(xiàn)的，具有初裝費用高、施工時間長、擴展困難等缺點。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，無線網(wǎng)絡(luò)具有易于安裝、擴展靈活、方便移動等優(yōu)點。傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，如WiFi，藍牙、Zigbee等，以及廣域網(wǎng)技術(shù)2G/3G/4G等無線技術(shù)，不能同時兼顧遠距離和低功耗[1-2]。LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案，這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)[3]。LoRa工作在免授權(quán)的Sub-Ghz頻段上[4]，企業(yè)可以參與到LoRa的產(chǎn)品應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)會經(jīng)過公網(wǎng)泄漏出去，對自身的數(shù)據(jù)安全有著重要的意義且不需要繳納運營商的費用。

本文結(jié)合LoRa技術(shù)通信距離遠、功耗低、成本低等優(yōu)勢，設(shè)計了基于LoRa技術(shù)的無線安防控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)部署簡單，能實時無線監(jiān)測控制遠端安防設(shè)施。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由RFID、紅外檢測、報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和主控單元組成前臺子系統(tǒng)，負責(zé)用戶信息識別、未授權(quán)入侵檢測以及控制門禁系統(tǒng)和報警系統(tǒng)等，同時主控單元將用戶信息或入侵信號通過LoRa節(jié)點以遠距離無線通信的方式發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后通過以太網(wǎng)上報給LoRa服務(wù)器，服務(wù)器處理收到的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)后，將其傳輸給客戶端。客戶端可以監(jiān)測前臺子系統(tǒng)，為應(yīng)對突發(fā)狀況，客戶端可對前臺進行一鍵鎖定/一鍵解鎖遠程控制。

2 系統(tǒng)組成

2.1 RFID模塊

實現(xiàn)安防檢查的身份識別及對應(yīng)的時間記錄，通過RFID技術(shù)實現(xiàn)。通過射頻讀卡器識別RFID電子標(biāo)簽中的用戶信息，將用戶信息傳至主控單元。

2.2 紅外檢測模塊

主要是連接在主控單元上的人體紅外檢測傳感器，通過檢測人發(fā)出的特定波長紅外線，產(chǎn)生報警信號，主控單元檢測到此信號后根據(jù)讀取的RFID信息決定是否報警及是否將報警信息發(fā)送給客戶端。設(shè)計采用的人體紅外檢測傳感器為HC-SR501，是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，人進入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。

2.3 門禁系統(tǒng)和報警系統(tǒng)

接收來自主控單元的指令，控制門禁的鎖定與解鎖，當(dāng)RFID信息正確時門禁解鎖，否則保持鎖定狀態(tài)。如有強行闖入或RFID信息連續(xù)多次無效的情況，報警系統(tǒng)會在主控單元的控制下產(chǎn)生報警信號。門禁系統(tǒng)和報警系統(tǒng)還受客戶端遠程控制，如遇特殊情況，客戶端可遠程控制解鎖、鎖定和報警等。

2.4 主控單元

接收并處理RFID模塊和紅外檢測模塊上報的信息，完成授權(quán)識別和人數(shù)統(tǒng)計，產(chǎn)生解鎖信號，控制門禁系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，將RFID信息和紅外檢測情況通過LoRa通信節(jié)點發(fā)送給客戶端，以便后臺監(jiān)測。同時存儲身份信息及對應(yīng)的解鎖時間，根據(jù)客戶端遠程控制完成一鍵鎖定和一鍵解鎖。

2.5 LoRa節(jié)點

采用SEMTECH的擴頻芯片SX1278，SX1278是一款高性能、低功耗、遠距離的微功率無線模塊，主要采用LoRa遠程調(diào)制解調(diào)器，用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，能夠最大限度降低電流消耗，SX1278可獲得超過-148dBm的高靈敏度。

LoRa節(jié)點與主控單元之間采用SPI通信，由SX1278支持的通信方式所決定的。LoRa節(jié)點以無線的方式將主控單元和LoRa網(wǎng)關(guān)連接起來，負責(zé)信息的遠距離無線收發(fā)。

2.6 LoRa網(wǎng)關(guān)

數(shù)據(jù)的匯聚中心，負責(zé)LoRa節(jié)點數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)發(fā)，可以與多個LoRa節(jié)點相連，同時LoRa網(wǎng)關(guān)使用IP通信與上層LoRa服務(wù)器連接。可以對多個LoRa節(jié)點進行管理，接收多個不同LoRa節(jié)點的上行數(shù)據(jù)，解析轉(zhuǎn)發(fā)給LoRa服務(wù)器，或接收LoRa服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)，下發(fā)給多個不同的LoRa節(jié)點。

2.7 LoRa服務(wù)器

對遠程安防數(shù)據(jù)進行處理與存儲，并將處理結(jié)果傳送至客戶端，也可以接收客戶端的一鍵解鎖或一鍵鎖定指令，通過網(wǎng)關(guān)傳輸給前端子系統(tǒng)，此外，還負責(zé)LoRa網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密和解密、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

2.8 客戶端

遠程監(jiān)控前臺子系統(tǒng)，當(dāng)部署多處前臺子系統(tǒng)時，客戶端以布局圖或編號的方式顯示各處安防狀態(tài)。通過客戶端軟件，用戶可以直觀地查看RFID讀取的人員身份信息及打卡時間，如有人員強行闖入，客戶端軟件會收到紅外檢測發(fā)送的報警信號，此外可根據(jù)前方具體情況，設(shè)置一鍵鎖定和一鍵解鎖功能，遠程控制門禁系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。

3 結(jié)語

針對LoRa技術(shù)低功耗、遠距離、部署簡單等特點，設(shè)計了一種基于LoRa的無線安防控制系統(tǒng)，采用遠距離無線通信傳輸用戶信息，無需傳統(tǒng)的有線連接;支持入侵檢測、遠程報警，支持遠程解鎖、鎖定和報警等功能。此外，可同時部署多處前臺子系統(tǒng)，通過LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器連接至客戶端，具有安裝方便、易于擴展等優(yōu)點，能滿足多樣化的場景需求。

參考文獻

[1]鄭浩.LoRa技術(shù)在低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)和應(yīng)用[J].信息通信技術(shù)，2017，11（1）：19-26.

[2]楊磊，梁活泉，張正等.基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域系統(tǒng)設(shè)計[J].信息通信技術(shù)，2017，11（1）：40-46

[3]施金磊，高谷剛.基于LoRa技術(shù)的家庭物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，10：218-220.

[4]趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動通信，2016，40（21）：50-57.