基于LoRa的景區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

彭先華

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚州分院,江蘇 揚州 225003)

0 引言

隨著全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及國家全域旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境下游客對旅游體驗需求的不斷提升,景區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求持續(xù)增大,成為各熱點景區(qū)提質(zhì)增效的重要手段。旅游服務(wù)業(yè)是旅游城市的重要支柱產(chǎn)業(yè),游客在景區(qū)的舒適度以及游玩體驗是城市管理部門需要考慮的重要因素,而進行景區(qū)環(huán)境監(jiān)測作為輔助手段,有助于促進景區(qū)服務(wù)質(zhì)量的提升。

本文以LoRa技術(shù)、LoRa網(wǎng)關(guān)與云平臺相結(jié)合的監(jiān)測方案,研究出一種基于LoRa的景區(qū)多點環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),通過在景區(qū)內(nèi)建立一定數(shù)量的無線監(jiān)測節(jié)點,將一定周期內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)及時存儲記錄,利用LoRa技術(shù)獲取采集節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)皆破脚_。該系統(tǒng)在景區(qū)內(nèi)不同的位置,設(shè)置多個節(jié)點,監(jiān)測溫濕度、光照、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)[1],將數(shù)據(jù)實時反饋至管理中心,有助于管理部門及時采取針對性措施,以便更好地服務(wù)游客,提升體驗度等。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)由LoRa節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成。LoRa節(jié)點通過LoRa無線通信方式與網(wǎng)關(guān)進行組網(wǎng)通信,節(jié)點選用STM32系列芯片,各個傳感器按照主控芯片的指令感知到傳感數(shù)值后送入芯片進行處理解析并上報到LoRa網(wǎng)關(guān)[2]。網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺,云平臺能實時展示各傳感數(shù)值,保存之前的數(shù)據(jù)作為歷史記錄,可通過應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface,API)方便地對其他終端應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)測和預(yù)警。其整體方案設(shè)計如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點

數(shù)據(jù)采集節(jié)點是感知層的重要組成部分,主要由STM32單片機、LoRa模塊和傳感器組成。主控芯片采用STM32L151C8T6D,該芯片是一款低功耗微控制器芯片,適用于要求電池使用壽命長、功耗低的應(yīng)用場景,主頻高,外設(shè)接口豐富,通過芯片通用型輸入/輸出(General Purpose Input/Output,GPIO)或采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)方式采集各類傳感數(shù)據(jù),能滿足傳感器數(shù)據(jù)的采集和LoRa無線通信的要求。

節(jié)點上集成LSD4RF-2F717N30無線模塊用于LoRa無線通信,該模塊基于SEMTECH射頻集成芯片SX127X[3],是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器,具有抗干擾能力強、功耗低等特點,支持低功耗遠距離收發(fā)通信。

1.3 溫濕度光照傳感器

溫濕度光照傳感器集溫濕度和光照傳感器于一體,溫濕度傳感器采用SHT11,其作用為采集景區(qū)內(nèi)節(jié)點周圍的溫濕度數(shù)據(jù),當收到網(wǎng)關(guān)讀取傳感數(shù)據(jù)的指令后,將傳感數(shù)據(jù)響應(yīng)給網(wǎng)關(guān)。SHT11溫濕度傳感器具有已校準數(shù)字信號輸出功能,內(nèi)部集成度高,可以獨立完成信號轉(zhuǎn)換功能,其接口電路設(shè)計簡單,支持傳輸校驗,能有效地保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的低差錯傳輸,具有溫度補償測量算法和露點計算功能。

光敏晶體管型號為GB5-A1E[4],利用其光電效應(yīng)作用,實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,從而完成光照數(shù)據(jù)的采集,其輸出光電流隨著光照強度變化而變化,但對不同波長的入射光的響應(yīng)程度不同,其典型的感光光譜為880 nm,響應(yīng)速度約為4 μs。產(chǎn)生的光電流通過電阻轉(zhuǎn)換成電壓量,再經(jīng)ADC送入微處理器內(nèi)部實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換即可獲取相應(yīng)的光照數(shù)值。

1.4 空氣質(zhì)量傳感器

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取采用MQ135空氣質(zhì)量傳感器,是一種用于檢測空氣中特定氣體濃度的傳感器,主要用于監(jiān)測一氧化碳、氨氣、甲醛、二氧化硫等。MQ135傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體敏感元件。該傳感器包含一組能對目標氣體產(chǎn)生電阻變化的敏感元件。當目標氣體濃度增加時,傳感器的電阻也會相應(yīng)變化。這種電阻變化被測量并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的氣體濃度值。MQ135空氣質(zhì)量傳感器可以廣泛應(yīng)用于各種場景,包括景區(qū)環(huán)境監(jiān)測等,具有多功能性、高靈敏度、簡便易用、高可靠性、低成本等優(yōu)勢。

1.5 LoRa網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)是一種基于LoRa技術(shù)的通信設(shè)備,用于構(gòu)建低功耗、長距離的無線物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計中數(shù)據(jù)匯集采用新大陸LoRa網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)作為LoRa網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組件,扮演著數(shù)據(jù)傳輸和連接終端設(shè)備與云平臺之間的橋梁角色,通過構(gòu)建穩(wěn)定、高效的LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò),為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。其主要特點和功能有:長距離通信、低功耗、多連接支持、安全性、易部署、云平臺集成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計采用的平臺為KEIL5和STM32CubeMX,使用的編程語言為C語言,采用HAL庫來進行開發(fā)。通過STM32CubeMX創(chuàng)建工程并初始化系統(tǒng)時鐘、外設(shè)、GPIO等,能大大簡化開發(fā)流程。

2.2 節(jié)點模塊程序設(shè)計

節(jié)點作為感知層的主要環(huán)節(jié),有2方面的作用:一是與各類傳感器協(xié)同工作,收集環(huán)境數(shù)據(jù),通過定時發(fā)送查詢請求與控制命令來獲取各個傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)。具體的程序設(shè)計采用主控芯片的ADC功能來獲取光照數(shù)值,通過I2C總線方式來控制和讀取溫濕度數(shù)值;二是按照一定的通信協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān),在需要時將其進行存儲,協(xié)議規(guī)約可以按照相關(guān)準則自行設(shè)定。系統(tǒng)運行后首先進行初始化,隨后定時向傳感器請求數(shù)值,并鏈接到網(wǎng)關(guān),利用主控芯片的定時器功能設(shè)定上傳時間間隔,再依照設(shè)定的協(xié)議規(guī)約進行封裝融合,根據(jù)預(yù)定的通信信道和頻率上報數(shù)據(jù),隨后進入空閑模式,直到下一次數(shù)據(jù)上報時間到來[5],在定時程序中增加一個隨機延時片段用于防止發(fā)送沖突。在實際應(yīng)用中,LoRa節(jié)點可能會面臨各種異常情況,如信號干擾、數(shù)據(jù)丟失等。程序設(shè)計應(yīng)包括適當?shù)漠惓Ｌ幚砗湾e誤恢復(fù)機制,以確保系統(tǒng)能夠在不穩(wěn)定的環(huán)境中正常運行。

2.3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)的功能為接收節(jié)點模塊上報的數(shù)據(jù),同時還要將數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)云平臺上的項目應(yīng)用,以供調(diào)用。在整個系統(tǒng)設(shè)計中,網(wǎng)關(guān)按照地理位置分布在區(qū)域內(nèi)一定的點上,網(wǎng)關(guān)的數(shù)量可以視周邊的節(jié)點模塊及傳感器數(shù)目靈活增加,其連接的節(jié)點數(shù)量和傳感器類型不盡相同。程序要能夠靈活進行頻率設(shè)置、云平臺參數(shù)設(shè)置、傳感器標識配置等,還要實現(xiàn)多通道支持,以便網(wǎng)關(guān)可以同時監(jiān)聽和處理多個LoRa通信頻道,提高通信效率。

3 系統(tǒng)配置

3.1 云平臺配置

環(huán)境數(shù)據(jù)采集匯總后需要借助物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行展示和應(yīng)用,通過云平臺,用戶可以直觀地掌握各個節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用新大陸NLECloud物聯(lián)網(wǎng)云平臺,登錄云平臺開發(fā)者中心,分3步完成云平臺配置:(1)在開發(fā)設(shè)置中設(shè)置API密鑰期限和生成調(diào)用API的密鑰,密鑰期限可以選擇比較遠一點的日期,以保證API在比較長的時期內(nèi)有效;(2)在開發(fā)者中心創(chuàng)建項目,設(shè)置好項目名稱,選擇相應(yīng)的行業(yè)類別和聯(lián)網(wǎng)方案,之后添加設(shè)備,為每一個設(shè)備設(shè)置名稱、標識并選擇通信協(xié)議,該系統(tǒng)要添加的設(shè)備即為LoRa網(wǎng)關(guān);(3)通過數(shù)據(jù)流同步獲取每一個設(shè)備所屬的傳感器或者手動配置各個傳感器的參數(shù)。

3.2 LoRa網(wǎng)關(guān)配置

LoRa網(wǎng)關(guān)能將節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)按照一定的格式上報給物聯(lián)網(wǎng)云平臺,基于靈活性和操作便捷性考慮,按照節(jié)點模塊程序以及網(wǎng)關(guān)固件程序中的設(shè)計,使用專門的配置工具通過串口方式對LoRa網(wǎng)關(guān)進行配置。網(wǎng)關(guān)的配置主要是完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、LoRa參數(shù)配置和云平臺服務(wù)的配置。網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)讀取和配置LoRa網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;LoRa參數(shù)配置實現(xiàn)頻率、網(wǎng)絡(luò)ID等的配置,這些參數(shù)需要與LoRa節(jié)點相對應(yīng)以確保通信正常;云平臺服務(wù)配置主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)器地址和端口的配置以保證LoRa網(wǎng)關(guān)能夠與服務(wù)器建立連接,還需要進行設(shè)備標識、傳輸密鑰等參數(shù)的配置,其中設(shè)備標識、傳輸密鑰等參數(shù)需要和上一節(jié)云平臺配置中每一個設(shè)備的標識、密鑰相一致。

3.3 云平臺應(yīng)用設(shè)計與結(jié)果展示

系統(tǒng)運行正常后,可以在NLECloud云平臺中查看各個設(shè)備的在線狀態(tài),打開實時數(shù)據(jù)開關(guān)功能,可以通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺項目自動構(gòu)建的Web應(yīng)用程序監(jiān)測各節(jié)點傳感數(shù)據(jù)的實時展示[6]。在云平臺應(yīng)用界面,可以為當前項目新增一個應(yīng)用,點擊新增打開項目生成器設(shè)計界面,以景區(qū)的游覽圖或者該區(qū)域的地圖作為背景,在地圖上傳感節(jié)點實際放置的位置添加組件,選取并綁定相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù),完成之后進行發(fā)布,便可以在圖上真實位置實時顯示當前的環(huán)境參數(shù)數(shù)值,在各種終端上都能方便實時地進行監(jiān)測。除此之外,利用云平臺的分布式數(shù)據(jù)存儲功能和計算功能,還可以開發(fā)Android和Python等應(yīng)用程序,通過讀取調(diào)用云平臺中的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),在更多的終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合LoRa技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù),設(shè)計了一種基于LoRa的景區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),通過在景區(qū)內(nèi)分區(qū)部署一定數(shù)量的采集節(jié)點,通過LoRa與該片區(qū)的LoRa網(wǎng)關(guān)進行通信,LoRa網(wǎng)關(guān)再將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺,實時準確地監(jiān)測不同區(qū)域不同環(huán)境參數(shù)的傳感數(shù)值。該系統(tǒng)整體上成熟穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確、實時性好、無盲區(qū)覆蓋。該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能實時有效地展示旅游景區(qū)不同游覽點更精準的環(huán)境參數(shù)數(shù)值,對提升游客體驗度、管理部門發(fā)布旅游舒適度預(yù)警和提高游覽環(huán)境水平有積極作用。