智慧校园之基于LoRa技术的环境检测分析系统

江武志 罗玉文

摘 要：基于LoRa的环境检测分析系统由传感器采集环境数据，通过LoRa通信模块传输到LoRa网关，后台服务程序通过订阅MQTT代理从LoRa网关获取传感器采集的环境数据，后台服务程序对采集的数据进行存储、统计、分析；后台服务程序提供统一的RESTful数据接口供应用层调用；Web前端页面展示实时数据和统计分析数据查询。实现对校园环境的实时检测和数据统计分析。

关键词：LoRa；传感器；环境检测；统计分析

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-04

0 引 言

随着物联网时代的到来，校园信息化建设也进入了“智慧校园”的时代，校园环境全面感知是“智慧校园”的基础，对校园环境进行检测分析，为校园环境治理提供依据以及为校园环境保护规划提供基础数据。传统通过RJ45网口或RS485通信方式采集数据的有线网络方案具有布线难、布线成本高、传输距离短等缺点。LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗折衷的考虑方式，是一种能够简单实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而可扩展传感网络。LoRa网络易于建设和部署，具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性，已成为当前应用最普遍的物联网专用网络通信技术，发展形势如火如荼。随着中国LoRa应用联盟（CLAA）的成立，LoRa技术的CLAA网络架构方案已经形成，国内LoRa网络部署全面起跑。

LoRa技术具有部署简单、成本低、易于维护、云联网等特点，是本文系统构建的首选。

1 设计思路

基于LoRa的环境检测分析系统采用分布式、微服务设计方式，将服务细分，使每个服务的功能尽可能单一，降低服务之间的耦合，使系统可独立部署运行和扩展。微服务可以做负载均衡，提高了性能和可靠性。

本系统主要由传感层、网关、后台服务、应用层（Web）组成。

（1）传感层由RS 485温湿度传感器、RS 485 PM2.5粉尘传感器、RS 485电表构成，通过RS 485总线接入到LoRa通信模块；

（2）网关由LoRa通信模块和嵌入式工控机构成；

（3）后台服务提供数据存储、统计、分析服务和统一的RESTful数据接口；

（4）Web提供数据展示和数据查询等用戶交互页面。

系统结构如图1所示。

2 LoRa简介

目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等。

2.1 LoRa特性

LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本等特性。

2.2 LoRa网络

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、Server和云四部分组成，应用数据可双向传输。LoRa网络架构如图2所示。

2.3 LoRaWAN协议

LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源MAC层协议的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network， LPWAN）标准。这一技术可为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求，如安全双向通信、移动通信和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置就可实现智能设备间的无缝对接互操作，为物联网领域的用户、开发者和企业提供自由操作权限。

3 系统设计

3.1 硬件接入

RS 485数据采集器（温湿度、空气质量、电表）通过RS485总线接入LoRa通信模块，通过LoRa通信模块将数据采集器采集到的数据传输到网关端的LoRa通信模块。数据采集器端数据为被动上传方式，由网关定时下发指令获取数据。

3.2 网关程序

网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议间的网络互连。

网关程序主要由RS 232转TCP驱动程序、数据采集程序、数据储存程序、数据上传程序、MQTT程序（数据生产者）组成。LoRa通信模块通过RS 232接入嵌入式工控机，通过RS 232转TCP驱动程序将LoRa接收到的采集数据统一转换为TCP协议，数据采集程序通过Socket通信获取数据。网关程序结构如图3所示。

4 MQTT服务

4.1 MQTT简介

MQTT是基于二进制消息发布/订阅编程模式的消息协议，最早由IBM提出，如今已成为OASIS规范。由于规范较简单，非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景。

4.2 MQTT设计原则

（1）精简，不添加可有可无的功能。

（2）发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递。

（3）允许用户动态创建主题，零运维成本。

（4）把传输量降到最低以提高传输效率。

（5）把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。

（6）支持连续的会话控制。

（7）理解客户端计算能力可能较低。

（8）提供服务质量管理。

（9）假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

4.3 MQTT发布/订阅模式

与请求/回答这种同步模式不同，发布/定义模式解耦了发布消息的客户（发布者）与订阅消息的客户（订阅者）之间的关系，这意味着发布者和订阅者之间无需直接建立联系。

（1）发布者与订阅者不必了解彼此，只要认识同一个消息代理即可。

（2）发布者和订阅者不需要交互，发布者无需等待订阅者确认而导致锁定。

（3）发布者和订阅者不需要同时在线，可以自由选择时间来消费消息。

4.4 MQTT主题

MQTT通过主题对消息进行分类，其本质是一个UTF-8字符串，可通过反斜杠表示多个层级关系。主题无需创建，直接使用即可。

主题还可通过通配符进行过滤。其中，“+”可以过滤一个层级，而“·”只能出现在主题最后，表示过滤任意级别的层级。举例如下：

building-b/floor-5：代表B楼5层的设备。

+/floor-5：代表任何一个楼的5层的设备。

building-b/·：代表B楼所有的设备。

虽然MQTT允许使用通配符订阅主题，但并不允许使用通配符广播。

4.5 MQTT服务质量

为了满足不同的场景，MQTT支持三种不同级别的服务质量（Quality of Service，QoS），为不同场景提供消息可靠性：

（1）级别0：尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息，但遇到意外并不会重试。

（2）级别1：至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失，消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次，但也可能造成重复消息。

（3）级别2：恰好一次。保证这种语义肯定会减少并发或者增加延时，但如果丢失或重复消息不可接受时，级别2最合适。

级别2所提供的不重不丢在很多情况下都是最理想的，但往返多次的确认会给并发和延迟带来影响。级别1提供的至少一次语义在日志处理场景下完全足够，所以像Kafka这类系统利用此特点减少确认，可大大提高并發。级别0适合鸡肋数据场景，暂且保留。

4.6 MQTT消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型：

（1）CONNECT：客户端连接到MQTT代理。

（2）CONNACK：连接确认。

（3）PUBLISH：新发布消息。

（4）PUBACK：新发布消息确认，是QoS 1给PUBLISH消息的回复。

（5）PUBREC：QoS 2消息流的第一部分表示消息发布已记录。

（6）PUBREL：QoS 2消息流的第二部分表示消息发布已释放。

（7）PUBCOMP：QoS 2消息流的第三部分表示消息发布完成。

（8）SUBSCRIBE：客户端订阅某个主题。

（9）SUBACK：对于SUBSCRIBE消息的确认。

（10）UNSUBSCRIBE：客户端终止订阅的消息。

（11）UNSUBACK：对于UNSUBSCRIBE消息的确认。

（12）PINGREQ：心跳。

（13）PINGRESP：确认心跳。

（14）DISCONNECT：客户端终止连接前通知MQTT代理。

4.7 MQTT代理

Mosquitto是MQTT的开源代理，遵循MQTT v3.1.1协议。

5 后台服务

后台服务采用Java语言编写，由数据解析服务、数据存储服务、数据统计分析服务、用户管理模块、设备节点管理模块、实时数据模块组成。后台服务结构如图4所示。

5.1 数据解析服务

数据解析服务程序主要负责将网关上传的环境数据进行协议解析，获得温湿度、PM2.5、用电量等数据，并将解析的数据存入Rides缓存，由相应的服务程序获取并做相应的处理。

5.2 数据存储服务

数据存储服务程序从Rides缓存中获取解析后的数据，将相应的数据存入MySQL对应的数据库表中。

5.3 数据统计分析服务

统计当月平均每天的（24小时平均值）温度、湿度；统计当月每天PM2.5污染指数与指数类别；统计当月每天的用电量。数据统计如图5所示。

5.4 用户管理模块

用户管理模块提供用户添加、用户删除、用户信息修改、密码更改、用户列表查询、用户登陆、注销等功能。如图6所示。

5.5 设备节点管理模块

设备节点管理模块可提供设备节点添加、设备节点删除、设备节点信息修改、设备节点列表查询等功能，如图7所示。

5.6 实时数据模块

实时数据模块可获取各监测点当前的实时温湿度、PM2.5、用电量，如图8所示。

6 数据建模

功能建模如图9所示。

数据建模如图10所示。

编号：001

职责：存储采集的数据。

属性：ID，温度，湿度，PM2.5，电流，电压，功率，（总）用电量，创建时间。

说明：数据采集类与数据天统计类存在依赖关系，数据天统计类每天数据的生成依赖数据采集类采集的数据。

编号：002

职责：对每天采集的数据进行统计。

属性：ID，平均温度，平均湿度，平均 PM2.5 浓度，（当天）用电量，创建时间。

说明：数据天统计类与数据采集类存在依赖关系， 数据天统计类每天数据的生成依赖数据采集类采集的数据。

7 结 语

本环境检测分析系统通过温湿度传感器、PM2.5粉尘传感器、电表采集校园的环境数据和用电数据，实时检测校园的环境情况。通过历史数据统计分析校园的环境情况以及校园用电情况，为校园环境治理提供依据，为校园环境保护规划以及校园节能提供基础数据，也为未来的“智慧校园”提供数据支持。

参考文献

[1] AUGTEK物联网观察-LoRa技术科普[Z].

[2]张琪.MQTT入门[Z].

[3]宋延军，梁俊艳，王德志.基于LoRa的10 kV架空线路故障监测系统设计与实现[J].华北科技学院学报，2017，14（5）：30-34.

[4]赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（9）：298-301.

[5]马路遥，徐鹏.基于LoRa扩频技术在燃气无线抄表系统的应用[J].城市燃气，2016（7）：7-9.

[6]霍振龙.LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析[J].工矿自动化，2017，43（10）：34-37.

[7]罗贵英.基于LoRa的水表抄表系统设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2016.

[8]郑浩. LoRa技术在低功耗广域网络中的实现和应用[J].信息通信技术，2017（1）：19-26.