基于LoRa的宿舍安全监测系统设计

王 斌，王 蒙

高校学生宿舍是大学生学习和日常生活的重要场所，具有人口密度高、人员流动大、电子设备杂、易燃物品多等特点，保障宿舍区域安全、消除安全隐患是我国高校学生安全管理工作的重中之重.目前众多高校的宿舍安全监测主要采取宿管人员定期巡查、门禁系统、楼道视频监控等方式［1-2］.但是，随着高校招生规模的不断扩大，宿舍数量不断增多，宿舍区域不断增大，传统的宿舍安全监测方式面临着人工巡检难度大、监测项目不全、预警不及时、通信距离不够等方面的问题.首先，宿舍范围的扩大增加了宿管巡查的时间和难度，容易造成监测不仔细、发现安全隐患不及时的问题；其次，随着充电宝、LED 夜灯、USB充电器等电子设备进入宿舍，电子设备异常引发火灾的概率大幅度增加，而目前的系统无法监测；第三，传统监测系统无法在第一时间监测到突发群体事件并预警；第四，传统的基于RS485总线的监测系统通信距离较短，无法覆盖新建的宿舍区域.通过构建高效的宿舍安全实时监测系统，可有效解决上述问题.

近年来，物联网技术、网络通信技术、传感器技术的不断发展为宿舍安全实时监测问题的解决提供了多种方案.文献［3］针对校园环境中的温湿度、烟雾、有害气体等信息进行实时监测，通过与短距离无线通信技术Zigbee结合，设计了基于Zigbee 技术的智慧校园安全系统.文献［4］分析了广东省部分高校校园安全现状与问题，论述了物联网技术应用于校园安全管理的价值，提出一种基于射频识别技术的高校校园安全管理模式.文献［5］针对人工巡查无数据分析和联动报警机制的问题，运用视频监控技术设计了一种智能校园安防监控物联网系统.文献［6］分析了校园环境监测系统的需求，以降低节点功耗和提高无线覆盖范围为目标设计了一种基于LoRa技术的校园环境无线监测系统.本文在上述研究的基础上，首先分析了目前宿舍安全监测系统的需求，阐述了LoRa无线通信技术、电子设备异常监测、突发群体事件监测、消防安全监测在宿舍安全监测中的重要性，设计了系统框架；然后基于LoRa通信协议，提出了三类监测模块的软硬件设计方案，以期为未来宿舍安全监测系统的开发提供依据.

1 系统需求分析

当前，高校学生处、后勤处、保卫处等部门高度重视学生宿舍安全问题.在高校在校人数快速增长、宿舍区面积不断增加、宿舍用电子产品日趋复杂的背景下，相关部门应有效提高宿舍安全管理水平，及时更新宿舍安全风险监测指标、挖掘潜在的安全风险.本文重点研究了近年来国内高校宿舍的多起安全事故［7］，从LoRa 无线通信技术选择、电子设备异常监测、突发群体事件监测、消防安全监测四个方面分析了现阶段宿舍安全监测系统的需求.

（1）LoRa 无线通信技术选择.随着无线通信技术的发展，目前的宿舍安全监测系统多采用Zigbee、WiFi 等无线通信技术.但是，高校宿舍区域范围大，建筑内隔间多，上述无线通信协议存在传输距离短、室内穿透能力差、抗干扰能力弱等缺陷.近年来，Semtech公司研发了基于扩频技术的无线通信技术LoRa，具有网络容量高、组网结构简单、通信距离远、穿透性强、功耗和运营成本低等特性.因此，将LoRa 应用到宿舍安全监测系统中可有效解决目前系统存在的缺陷.

（2）电子设备异常监测.在宿舍中，手机、充电宝、笔记本电脑、LED夜灯、USB充电插排等电子设备已经成为学生日常生活的必备用品.这些电子设备具有数量多、品牌杂、质量参差不齐、使用时间长等特性，由于电子设备质量问题或不正当使用引发的火灾已经成为影响宿舍安全的重要因素.遗憾的是，目前的宿舍安全监测系统还不能对电子设备异常进行监测.因此，引入电子设备异常监测有助于进一步提升宿舍安全水平.

（3）突发群体事件监测.突发群体事件具有偶然性、突发性、发展迅速、参与人数多的特性，常常发生于宿舍等高密度人群区域，群体事件一旦发生，学生的生命财产安全将会受到严重威胁.受制于隐私方面的限制，宿舍区域难以部署全方位的视频监控，这是目前宿舍安全监测系统中的薄弱环节.引入突发群体事件监测对及时制止群体事件的发生有重要意义.

（4）消防安全监测.宿舍消防安全监测一直是宿管的重点.传统的消防安全监测主要采取人工巡查和火灾预警系统的方式.随着宿舍数量增多带来的巡查人员工作量上升、消防设施老化及管网水压不足、火灾预警滞后及虚警［7］等问题的出现，消防安全形势愈发严峻.构建精确及时的火灾预警系统和智能化的消防设施监测系统是提升宿舍消防安全检测水平的关键.

2 系统总体框架设计

通过对宿舍安全监测的需求分析可知，设计由电子设备异常监测模块、突发群体事件监测模块、消防安全监测模块组成的宿舍安全监测系统可基本实现与学生生命相关的重大安全隐患全覆盖.三种模块采集的环境数据经过处理后分别通过各自的LoRa节点无线传输至LoRa网关，Lo-Ra网关将接收的数据通过WiFi传输至Web服务器，服务器完成对数据的存储与可视化处理，并针对异常数据发送报警提示信息，用户可通过智能终端或PC登录服务器实时查询宿舍安全监测数据.系统总体框架设计如图1所示.

图1 宿舍安全监测系统整体框图

3 系统硬件设计

3.1 电子设备异常监测模块设计

电子设备在使用过程中如果发生漏电、短路、超负荷、接触电阻过大等异常时，用电线路极易产生剧烈的电流波动、温度升高的情况，严重时可产生电火花进而引发电气火灾.因此，实时监测用电线路终端的温度和剩余电流状态可有效预防电子设备异常引发的火灾问题.本系统中分别采用pt100 铂热电阻温度传感器、LSY1-25剩余电流互感器监测线路温度和剩余电流，核心微控制器采用Cortex-M4 超低功耗单片机STM32L432，LoRa 无线传输芯片采用SX1278.本模块硬件设计框图如图2所示.

图2 电子设备异常监测模块硬件设计框图

3.2 突发群体事件监测模块设计

通常情况下，宿舍楼内的学生大致平均分散于各自的房间内，如果短时间内学生大量聚集到某一个区域内，则发生群体事件的概率大幅度提高.因此，实时监测宿舍内学生人数密度变化情况能第一时间预警突发群体事件，为宿管和安保到场处置争取宝贵时间.本系统采用TI公司最新推出的IWR1642 毫米波传感器进行室内人数统计.IWR1642 片内集成一个600 MHz 的DSP 和一个200 MHz 的MCU，无需外接微处理器，可直接将区域内人数统计结果传输至LoRa 节点.本模块硬件设计框图如图3所示.

图3 突发群体事件监测模块硬件设计框图

3.3 消防安全监测模块设计

消防安全监测模块分为两部分：消防设施监测和火灾监测.消防设施监测中采用MIK-P300水压压力传感器实时采集消防栓内的水压状态；采用ZAZ-020 电容指纹模块对巡检人员进行签到.火灾监测采集温度、CO、CO2、烟雾四种特征量，具体传感器选型为：CO 和CO2分别选用伟胜公司的ME2-CO 传感器和MH-Z19B 传感器，温度信息采用DHT11传感器，烟雾信息采用MQ-2传感器.本模块硬件设计框图如图4所示.

图4 消防安全监测模块硬件设计框图

3.4 LoRa网关设计

LoRa网关接收多个LoRa节点上传的数据并转发给服务器，硬件组成包括电源模块、SX1278射频模块、主控芯片、WiFi通信模块四部分.考虑到LoRa 网关是汇聚节点，数据处理量较大且有稳定的供电电源，因此选用高性能微处理器STM32F407.网关与服务器通信采用无线WiFi模块ESP8266.硬件设计框图如图5所示.

图5 LoRa网关硬件设计框图

4 系统软件设计

4.1 监测模块及LoRa节点软件设计

监测模块监测的各类传感数据通过LoRa节点传输至LoRa 网关.软件流程图如图6 所示.首先，微处理器完成传感器和LoRa节点的初始化；然后完成LoRaWAN 协议配置，选择ClassA 工作模式，设定上行链路和下行链路相关信息，发送入网请求；之后判断是否入网，如不成功，则根据入网请求定时器的请求周期决定下次入网请求时间，若入网成功，则开启数据收发定时器进入数据收发前的休眠阶段；之后读取监测模块的传感信息，在选择通信频率和频道后发送至LoRa网关，发送结束后进入下一个周期.考虑到宿舍安全监测的重要性，本系统每隔5秒发送一次入网请求，每隔15秒发送一次监测数据.

图6 监测模块及LoRa节点软件流程图

4.2 LoRa网关软件设计

LoRa网关软件流程图如图7所示.

图7 LoRa网关软件流程图

LoRa网关接收LoRa节点上传的多种监测数据，并通过ESP8266 无线WiFi 通信模块发送至服务器.具体流程为：首先，LoRa 网关通过WiFi模块向服务器发起连接请求，并进入等待状态.服务器收到连接请求后，向LoRa 网关发送确认信号.连接完成后，LoRa 网关接收来自节点的数据，并对数据进行封装后经ESP8266 转发至服务器.

5 结论

本文分析了传统宿舍安全监测系统中存在的无线通信距离短、安全监测指标少、安全隐患发现不及时等问题，从电子设备异常监测、突发群体事件监测、消防安全监测三方面阐述了现阶段宿舍安全监测系统的需求，同时结合无线通信技术LoRa 远距离、低功耗、大容量、低成本的特点，设计了一种基于LoRa 的宿舍安全监测系统.本方案完成了系统框架设计，硬件方面详细介绍了各个监测模块中的核心微控制器、传感器、射频通信芯片的选型与设计，软件方面介绍了Lo-Ra 节点和LoRa 网关的工作流程.本研究为后续系统开发和运行提供了理论依据.