基于LoRa 技術的智能陽臺監測系統設計

丁小一，劉宏斌

（合肥職業技術學院，安徽合肥，230000）

0 引言

隨著中國經濟的飛速發展，高層住宅樓越來越多，這也導致了兒童發生意外的概率大幅提升。據統計，在兒童意外傷害事件中，高空跌落發生比例較高，達到34.6%。發生這樣的意外，一方面是因為大人疏于看護[1]，另一方面是由于高層住宅陽臺缺乏完善的防護措施。在考慮到兒童行動的不確定性以及防護的時效性，提出了一種基于LoRa 技術的智能陽臺監測系統。該系統不僅可以第一時間起到防護作用，集成室外環境實時監測系統，并實現遠程交互為人們的生活提供便利。

1 系統的總體設計方案

按照數據處理流程，陽臺監測系統可以分為LoRa 采集節點、LoRa 網關節點。LoRa 采集節點采集傳感器數據并通過LoRa 無線模塊發送到LoRa 網關節點，接收網關節點的命令操作執行器；LoRa 網關節點將接收到的數據，通過WiFi 模塊發送到云服務器，并且接收服務器下發的指令發送給采集節點。

本系統主要包含智能防護、環境監測以及遠程交互三大功能。其中，智能防護功能是監測系統的核心功能，通過多組激光傳感器監測是否有兒童單獨進入陽臺，如果有，執行關窗操作，避免意外發生；通過溫濕度、光敏及雨滴傳感器實時監測天氣情況，同時OLED顯示下雨情況和實時溫濕度，從而實現環境監測；Web 后端顯示、存儲采集的數據，同時可以通過這些數據對應的策略來自動下發控制指令到執行器，實現窗戶的開關和晾衣桿的拉伸，從而實現遠程交互功能。

圖1 系統總體設計結構圖

2 系統的硬件設計

■2.1 處理器選型設計

處理器采用意法半導體公司的STM32L151C8T6D 微控制器，如圖2 所示，內置64KB Flash 存儲器，價格較為便宜，耗電低，工作的環境溫度區間在-40℃～85℃。

圖2 STM32L151C8T6D主控模塊

■2.2 無線模塊選型設計

由于網關安裝于小區配電房，采集節點安裝于陽臺，兩者直線距離相距數十米。如果使用有線，則需要鋪設線纜，耗費人力物力，故采用無線方式進行通信。目前常用的無線通信方式較多，如LoRa、NB-IoT 等[2]。在本系統中，通信距離長，信號需要穿過建筑物墻體，而且NB-IoT 會產生相關的通信費用，綜合考慮選用LoRa 作為通信方式。

本系統選用利爾達LSD4RF-2F717N30 無線模塊，如圖3 所示，它是SEMTECH 公司的SX1278 射頻芯片，具有傳輸距離遠、速度快、功耗低、體積小的優點[3]。

圖3 LSD4RF-2F717N30無線模塊

■2.3 LoRa 采集節點設計

基于以上選用的微控制器、LoRa 無線模塊，根據需求，添加相應傳感器及電源模塊，設計LoRa 采集節點，具體硬件框圖如圖4 所示。

圖4 采集節點硬件結構框圖

2.3.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度數據的采集選用DHT11 模塊，它的濕度測定范圍大概在20%～90%之間(精度5.0%)；溫度測定的范圍大概在0℃～50℃(精度2℃)[4]，主要用來采集陽臺的溫度與濕度數據，其典型電路如圖5 所示。

圖5 DHT11 典型電路

2.3.2 激光傳感器模塊

由于激光具有傳輸快、相干性好、直線傳播且穩定的物理特性，本系統采用多組激光收/發組來判定兒童是否獨自進入陽臺。激光收/發組由可調激光頭和激光接收管組成，其中，可調激光發射頭的工作電壓為5V、發射功率為50mW、波長為650nm；通電時，激光接收管被激光照射后，從低電平變為高電平。

通過在陽臺兩側安裝多組激光發射與接收裝置，根據家庭成員身高調節相應高度，高位配合低位檢測成人進出情況，低位檢測兒童進出情況。當激光收/發組僅低位觸發時，表示兒童獨自進入陽臺，控制步進電機關閉窗戶；當激光收/發組僅高位或高低位觸發時，表示成人進入或成人陪同兒童進入，不執行任何操作。

2.3.3 雨量傳感器模塊

雨量傳感器模塊含LM393 比較器，用于檢測室外是否下雨，其電路原理圖如圖6 所示。當感應電路板上沒有水的時候，它不會被觸發，模塊的數字引腳會輸出高電平；當感應電路板上有水時，它會被觸發，數字引腳會輸出低電平。

圖6 雨量傳感器原理圖

2.3.4 步進電機

本系統每個采集節點均選用5 線4 相永磁式電機28BYJ48，用來驅動陽臺窗戶的開關和陽臺晾衣架的推出與收起。選用ULN2003 驅動電機，原理圖如圖7 所示。核心板每發送一個脈沖信號給ULN2003 驅動板，28BYJ48 按設定的方向轉動一定的度數。實際上，分別通過調整脈沖的頻率和個數來控制28BYJ48 齒輪速度、加速度以及位移的角度，從而實現電機的調速。

圖7 步進電機原理圖

2.3.5 OLED 顯示屏

本系統選用0.96 寸OLED 顯示屏，具有自發光、清晰度高、體積輕薄、刷新頻率快等特點，該顯示屏與核心板使用I2C 進行通信。

■2.4 LoRa 網關節點設計

一般小區設置一個網關節點，安裝于小區配電房。基于以上選用的微控制器、LoRa 無線模塊，添加WiFi 模塊及電源模塊構成LoRa 網關節點，具體硬件框圖如圖8 所示。

圖8 網關節點硬件結構框圖

其中，WiFi 模塊選用 ESP8266 模塊，它是一個低成本的無線連接設備，本系統采用的是體積小巧、功能齊全、價格低廉的ESP 系列ESP-01 模塊。ESP-01 模塊和主控芯片進行串口通信，主控芯片將打包好的Json 格式數據通過串口發送給ESP-01 模塊，ESP-01 模塊將數據通過MQTT 協議用WiFi 熱點發送至服務器。

3 系統的軟件設計

■3.1 LoRa 通信傳輸協議設計

智能監測系統采集節點和網關節點采用星型組網，數據傳輸方式采用數據幀模式，為保證監測數據傳輸過程中的可靠性和準確性，采用CRC 算法對數據進行校驗[5]。LoRa 模塊通信協議請求命令結構[6]如表1所示，響應命令結構如表2 所示。

表1 LoRa模塊通信協議請求命令結構

表2 LoRa模塊通信協議響應命令結構

■3.2 采集節點軟件設計

LoRa 采集節點采集傳感器數據（是否有兒童單獨進入陽臺、溫濕度數據、當前是否下雨等)，在接收到網關節點請求命令后，對數據進行CRC 校驗，解析請求命令，如果是讀傳感器的命令，根據響應命令結構封裝數據，并上傳給網關節點；如果是控制命令，則控制步進電機，開關窗戶或者推拉晾衣桿，具體程序流程圖如圖9 所示。

■3.3 網關節點軟件設計

網關節點的LoRa 模塊接收采集節點發送過來的數據，通過SPI 接口發送給主控模塊，主控模塊通過串口發送給WiFi 模塊，進而發送至服務器。同時，網關節點需要解析服務器發來的Json 數據，向采集節點發送命令，具體程序流程圖如圖10 所示。

圖10 網關節點程序流程圖

■3.4 Web 后端設計

3.4.1 Web 后端的業務介紹

本系統Web 后端使用原生Java Web 技術與Mybatis 框架。用戶在瀏覽器成功登錄系統后，自動跳轉到首頁，首頁會加載當前采集的傳感器實時數據，以及來自第三方天氣API 提供的實時天氣數據、晾曬指數等。在控制頁面，可以手動控制執行器，也可以啟動并配置策略自動控制執行器，完成控制操作。在傳感器數據顯示頁面，包括實時數據和歷史數據，實時數據顯示的是每個傳感器數據的實時折線圖，歷史數據顯示的是存入數據的記錄。Web 后端的業務圖如圖11 所示。

圖11 Web 后端業務圖

3.4.2 數據庫的搭建

本系統的Web 后端使用MySQL 數據庫，在數據庫中創建兩張表，一張用來存儲管理員賬戶的信息，包括管理員賬號的用戶名、密碼等；另外一張用來存儲傳感器數據，包括有溫度數據、濕度數據、雨滴數據、光照數據、是否僅有兒童進入陽臺、發送這些數據的設備id、發送的來源IP、接收到這條數據的時間信息。

4 系統測試

選用天氣較好的一天，根據成人(175cm)和兒童(110cm)的身高調整采集節點1 的激光傳感器。用戶登錄系統后，后臺首頁定時刷新當前采集的傳感器實時數據，并顯示來自第三方天氣API 提供的當前實時天氣數據、晾曬指數等信息，具體如圖12 所示。

圖12 后臺首頁

在執行器頁面，選中設備1，可以手動操作設備1 窗戶打開、晾衣架打開，也可以利用配置策略啟用/停用自動模式，自動打開/關閉設備1 的窗戶和晾衣架，具體如圖13 所示。

圖13 執行器控制頁面

在網頁端可以查看傳感器實時數據，剛開始是否有小孩進入陽臺顯示0，說明沒有兒童單獨進入陽臺；從0 變成1，說明有兒童單獨進入陽臺，自動操作執行器，關閉窗戶，具體如圖14 所示。

圖14 傳感器實時數據顯示折線圖

5 結束

實驗表明，本文設計的基于LoRa 技術的智能陽臺監測系統，能夠實時監測兒童是否單獨進入陽臺這一危險區域，實現智能防護；

實時監測室外環境，實現環境監測；將采集的數據上傳到平臺，在Web 后端對所有監測數據進行實時顯示、歷史查詢、數據分析和決策控制，對陽臺窗戶和晾衣桿實現遠程控制，實現遠程交互功能，是智能家居的補充，具有一定的推廣應用價值。