基于LoRa的大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测系统

张震 盖昊宇 朱炼

【摘要】构建基于LoRa的大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的无线传感器组网模型，采用LoRa技术实现对工业洁净室沉降菌动态监测的节点优化部署，结合随机路由探测和最短路径寻优方法，实现对工业洁净室沉降菌动态监测的节点动态控制和路由协议设计。设计计数电路实现对动态监测数据的计数处理，通过滤波檢测器实现工业洁净室沉降菌动态监测和滤波控制，提高监测的稳定性和准确性，在嵌入式的集成DSP信息处理器中实现对系统的硬件集成开发设计。仿真测试结果表明，设计的动态监测系统稳定性较好，准确度较高，动态监测能力较强。

【关键词】LoRa技术;大规模集成电路;工业洁净室;沉降菌动态监测;滤波控制

〔中图分类号〕TP277 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1674-3229（2021）04-0065-05

0 引言

随着高精密度集成电路技术的发展，对集成电路制作环境提出了更高的要求。在高精密集成电路设计和制作过程中，要求环境保持较高的清洁度，需要对洁净室环境进行细菌动态监测，设计大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测系统，以提高大规模集成电路工业洁净室的降菌能力。对沉降菌动态监测的传统方法主要有基于动态传感节点定位的监测方法、基于CTP协议控制的沉降菌动态监测方法、基于随机WSN节点部署的监测方法等[1-3]，传统方法主要通过构建大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的WSN或者物联网标签节点模型，设计优化的路由探测控制方法，实现大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测。但传统方法进行大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的稳定性不高，动态监控性能不好。针对上述问题，本文提出基于LoRa的大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测系统设计方法。

1 系统总体设计构造和功能结构分析

1.1 系统总体设计构造

系统主要有嵌入式PMOS控制和WSN动态监测模块构成，采用Siemens公司的MC35i作为工业洁净室沉降菌动态监测系统的主控芯片，大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测系统的总体结构构架如图1所示。

根据图1的总体设计构架，分析大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测数据的产生、发射、传输过程，进行动态监测的ZigBee组网控制，在LabWin-down/CVI平台上构建监测系统的网络协议平台[4]，监测系统的网络结构设计如图2所示。

结合4G、5G和无线ZigBee网络实现大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的网络设计，通过可编程控制的FPGA芯片实现对集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的编程控制[5]，采用PXA255网关和MillennialNet构建工业洁净室沉降菌动态监测的节点网络动态部署模型。

1.2 监测系统的功能模块分析

采用背板时钟控制方法，实现沉降菌信息采集过程中的时钟切换，通过外部触发总线控制，建立信息传输的PXI总线协议，设计模拟信号预处理机制进行沉降菌动态监测的信息处理，通过动态增益控制的方法实现对洁净室沉降菌动态监测的输出增益控制的AD信息融合调度[6]，构建大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的HP E1562E数据记录仪，系统的功能结构组成框图如图3所示。

在系统功能结构组成框图的设计基础上，结合传感信息采集模块、AD信息数模转换模块、上位机监测控制模块、集成信息融合模块、人机接口控制模块以及集成电路控制模块等组成模块，完成对工业洁净室沉降菌动态监测系统的模块分析[7]。

2 监测系统的传感节点优化部署设计

2.1 工业洁净室沉降菌动态监测的传感网络节点部署

采用节点优化部署的方法，通过数据采集节点来提高数据传输的可靠性，得到工业洁净室沉降菌动态监测的WSN混合汇聚节点数据特征序列，其中x（n）为动态监测输出有限长的离散无序列，动态监测的动态传输控制模型为：

式中，0≤k≤N-1，采用空间参数重组方法，考虑节点能量、距离、能量效率的相关性因素，得到工业洁净室沉降菌动态监测的离散特征分布序列，采用无线扩频技术进行工业洁净室沉降菌动态监测输出的信道多径扩展[8]，得到工业洁净室沉降菌动态监测网络的节点空间部署的特征分布序列为：

根据一级节点和簇头节点的关联关系，在工业洁净室沉降菌动态监测网络的传输输信道中，得到实际场景中节点采集数据的节点分布最短距离为d，采用频谱相关性检测方法，数据通过多跳的方式实现信息融合，得到大规模集成电路工业洁净室沉降菌采样点分布为j=0，1，…，M，采用线性调频方法计算大规模集成电路工业洁净室沉降菌控制的检测统计特征量Ej，并在整数N0，N1级信道中实现大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测的可靠性传递函数构建。大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测输出的码元序列为v0（n），v1（n），相应的频谱分量为：

用H0（k）、H1（k）分别表示大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的RFID标签序列，构建传感器网络主的混合汇聚节点的均衡调度模型，得到大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测网络的节点空间规划系统函数为：

对大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测传输节点进行自适应结构重组，提取大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测信道参数，得到监测系统的节点部署函数为：

由上述算法得到工业洁净室沉降菌动态监测的传感网络节点部署模型，完成对传感网络节点的部署设计[9]。

2.2 工业洁净室沉降菌动态监测的路由算法优化

采用LoRa技术实现对工业洁净室沉降菌动态监测的节点优化部署，采用随机路由探测和最短路径寻优方法，得到工业洁净室沉降菌动态监测的信道扩频带宽输出优化解：

式中，b表示动态监测系统的探测频率，采用频谱特征分析，构建大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的统计特征量，通过模糊参数识别，得到大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的输出序列为：

式中，x（m）表示工业洁净室沉降菌动态监测模糊度函数。综上分析，构建路由协议，采用LoRa协议，实现对大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测网络的能量参数估计，网络传输协议控制函数为：

式中，m>0，β是各簇节点到簇头的平均距离，根据最小距离对应的二级节点分离结果，得到大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测的最优分布系数为：

式中，dj（k）表示节点数据传输融合度，根据上述分析，采用随机路由探测和最短路径寻优方法，实现对工业洁净室沉降菌动态监测的节点动态控制和路由协议设计[10]。

3 系统硬件设计

工业洁净室沉降菌动态监测系统主要通过DSP集成控制芯片实现程序控制和集成信息处理。采用5阶开关电容低通滤波器实现对DSP的控制，通过低电平复位电路，构建动态监测系统的复位控制器，采用集成的PLC控制器实现对沉降菌动态监测系统的程控放大[11]，沉降菌动态监测系统的电源电路如图4所示。

以UARTO作为大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测系统的RS232接口，采用DAVICOM公司的DM9000作为监测系统的程序加载控制器，设计系统的接口电路，设定动态监测系统的动态工作电压为240V，AD信息采样的电流为14mA，基于CD-MA模块接人沉降菌动态监测系统网关[12]，实现动态监测系统集成电路的设计。

4 系统测试与结果分析

为了验证本文方法在实现大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测中的应用性能，进行实验测试。大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的传感节点数目为1200，数据采集的长度为1024，每个监测节点之间的关联系数为0.35，根据上述参数设定，将本文方法与文献[1]和文献[6]的方法进行对比，得到大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的准确度，如图5所示。

分析图5可知，本文方法动态监测控制能力较好，准确度较高。测试大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测系统的输出稳态性，得到测试结果如图6所示。

分析图6可知，本文方法进行动态监测的稳定性较好。

5 结语

本文提出基于LoRa的大规模集成电路工业洁净室沉降菌动态监测系统设计方法。通过可编程控制的FPGA芯片实现对集成电路工业洁净室沉降菌动态监测的编程控制，建立大规模集成电路工业洁净室沉降菌信息传输的PXI总线协议，采用节点优化部署的方法，通过数据采集节点来提高数据传输的可靠性，采用LoRa协议，实现对大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测网络的能量参数估计，实现系统硬件设计。系统测试表明，本文设计的大规模集成电路工业洁净室沉降菌监测系统的稳定性和准确度较好，控制能力较强。

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[收稿日期]2021-02-10

[基金项目]安徽省高等学校自然科学研究重点项目“基于LoRa的电子行业工业洁净室环境监控系统研究”（KJ2020A1096）;安徽省高等学校自然科学研究重点项目“基于物联网的SMT车间环境监控系统研究”（KJ2019A1167）;安徽省省级质量工程项目“安徽工商职业学院安徽百视达科技有限公司创新实践基地”（2020sjjd016）

[作者简介]张震（1975-），男，硕士，安徽工商职业学院副教授，研究方向：计算机网络技术与物联网应用技术。