基于LoRa技术的档案库环境智能监测控制系统设计

关姝睿

（烟台大学，山东烟台，264005）

0 引言

干部人事档案是贯彻落实新时代党的组织路线的重要基础，对建设高素质专业化干部队伍、做好干部培养和选任工作有着重要作用[1]。我国干部人事档案正式形成于延安时期的干部审查工作[2]，1938年中共中央下发《关于大量发展党员的决议》，1939年中共中央下发《关于巩固党的决定》，两份文件指出我党要“广招天下士”、“诚纳四海人”、“审查党员成份，清刷混入党内的异己分子”、“先审查各级干部，保证党的各级党的领导机关掌握在经过考验与忠实可靠的干部手中”。据此，干部人事档案审查和人事档案管理工作逐步走上正轨。

进入新时代，我党对人事档案管理工作提出了更高的要求。2018年，中共中央办公厅为深入贯彻落实习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，深入落实全国组织工作会议精神，印发《干部人事档案工作条例》，提出党管干部、党管人才；依规依法、全面从严；分级负责、集中管理；真实准确、完整规范；方便利用、安全保密等五项干部人事档案工作原则，并提出干部档案要服务广大干部人才，服务党的建设新的伟大工程，服务新时代中国特色社会主义伟大事业；2020年党的十九届五中全会提出“全面贯彻新时代党的组织路线”，这对干部人事档案管理的科学化水平以及档案的信息化建设提出了更高的要求。在新时代背景下，档案也成为讲好红色故事的党史资源和宝贵的精神财富。

人事档案管理遵循严格的管理规范，《档案库房技术管理暂行规定》[3]（以下简称《规定》）要求纸质档案库温度应控制在14～24℃，湿度应控制在45%～60%。然而，目前在很多档案管理部门，考虑到能耗和操作的复杂性，并没有对温度和湿度加以控制。即使在一些管理比较规范的单位，也仅仅是打开24小时工作的空调调节温度，在湿润季节，打开空调的除湿功能或除湿器调节湿度，这些操作不仅耗费大量能源，而且无法实现温度和湿度的精确控制、闭环控制和远程监控。

LoRa是一种低功耗广域网(Low-Power Wide-Aera Network, LPWAN)通信技术，具有功率低、传输距离远、易于安装部署等特点[4]，目前已经在环境监测[5]、工业物联网[6]、智能建筑[7]、车辆追踪[8]和智慧农业[9]等领域取得了广泛应用。

为解决档案库温湿度控制问题，本研究结合LoRa技术和嵌入式技术，设计了一款能够远程监控的自适应温度、湿度调节装置。

1 系统概述

本系统包含监测控制模块和远程管理平台，如图1所示。监测控制模块数量可根据实际需求增加或减少，不同的监测控制模块可以安装在多个档案库或同一个档案库的不同区域。每个监测控制模块包含微控制器、LoRa模块、温度传感器、湿度传感器和继电器。远程管理平台安装在档案馆区办公室，包含安装LabView的计算机和LoRa模块。多个监测控制模块和远程管理平台之间采用星型组网的方式连接。

图1 系统结构框图

在本系统中，远程管理平台可以发送指令，指示监测控制模块读取传感器数据，测量结果通过LoRa网络回传至远程管理平台，管理平台可存储一段时间的测量结果，以供回查。根据当前温湿度和用户设置，远程管理平台可以开启或关闭继电器，以控制空调和除湿器，继而实现环境温度和湿度的远程、精确、闭环控制。

2 硬件设计

■2.1 电源及微控制器模块

监测控制模块由12 V开关电源供电，板上使用DC-DC芯片LM2596降压至5 V，然后经LDO芯片LM1117-3.3降压至3.3V供系统使用。选用STM32F103C8T6为主控芯片，该芯片采用Cortex-M3 32位RISC内核，工作频率最高可达到72MHz，具有64KB的Flash和20KB的SRAM。

■2.2 LoRa模块

LoRa无线通信选用正点原子ATK-LORA-01模块。该模块工作电压为3.3～5V，最大通信距离可达3000m。模块内部使用SX1278扩频芯片，工作频率为410MHz～441MHz，以1MHz频率为步进信道，共32个信道，可通过AT指令在线修改串口速率、发射功率、空中速率、工作模式等各种参数。

本系统的监测控制端和远程管理平台都需要使用本模块。对于监测控制端，STM32F103通过串口与LoRa模块连接，如图2所示，图中TXD和RXD为串口数据线，MD0和AUX用于功能配置和固件升级；对于远程管理平台，计算机通过USB转TTL芯片与本模块连接。

图2 LoRa模块与STM32连接示意图

■2.3 传感器模块

AM2302是一款数字信号输出的温度湿度复合传感器，内部包含一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件。该传感器电压范围为3.3～5.5V，温度量程为-40～80℃，分辨率0.1℃，精度±0.5℃；湿度量程为0～99.9%，分辨率0.1%，精度±2%。测量范围及精度能够满足档案库对温湿度的测量要求，十分适合在本场景下使用。该传感器通过3引线（单总线接口）与STM32连接，即除电源和地外，只需要传感器的SDA端口与处理器的GPIO连接。

3 软件设计

■3.1 LoRa通信

3.1.1 LoRo模块通信模式

ATK-LORA-01模块具有透明传输、定向传输和广播与监听3种通信模式，本系统选择定向传输模式，即每个设备都具有独立的设备地址和信道，数据在设备与设备之间点对点传输，数据格式为“地址（2字节）+信道（1字节）+数据（N字节）”。例如，设备A地址为0x1234，信道为0x17，设备B地址为0xABCD，信道为0x01，设备C地址为0x1256，信道为0x13。若设备A发送ABCD 01 AA BB CC DD，则设备B将收到AA BB CC DD；若设备A发送12 56 13 AA BB CC DD，则设备C将收到AA BB CC DD。

在本系统中，将监测控制模块1地址设置为0x1111，监测控制模块2地址为0x2222，远程管理平台地址为0xAAAA，3个设备信道相同，均为0x01。

3.1.2 主从通信

远程管理平台与监视控制模块之间采用主从通信模式，其中，远程管理平台为主设备，监视控制模块为从设备。主设备可以主动发起通信，请求查询或控制从设备的传感器和继电器，而从设备不能主动发起通信，只能对主设备的问询进行应答。本系统定义了握手指令、读取传感器状态、读取继电器状态、开启/关闭继电器4种指令。

握手指令格式如表1所示。握手指令用来保证数据通路畅通，主设备发送0x11，从设备回复0x00；主设备再次发送0x11，从设备回复0xFF。若两次数据传输正确，则表示通路畅通，可以进行后续的操作。在每次数据通信前，都要进行握手。

表1 握手指令

读取传感器状态指令如表2所示，指令码为08，F8为校验和。当监视控制模块收到该指令后，若接收校验错误，则返回接收错误指令06 01 04，其中04为校验和。若接收校验正确，则返回测量结果，测量结果由7个字节组成，其中帧头为06，ERROR字节为00，温湿度测量保存在BYTE0至BYTE3，校验和为CHECKSUM。

表2 读取传感器状态指令

读取继电器状态指令如表3所示，指令码为06，FA为校验和，在返回的数据中BYTE0 BYTE1为读取到的继电器状态，在实际应用中可以根据继电器的数量对字节数量进行增减。通信模式与读取传感器状态指令相同。

表3 读取继电器状态指令

设置继电器状态指令如表4所示，指令码为04，BYTE0 BYTE1为要设置的继电器状态，CHECKSUM为校验和。从设备接收到指令后，返回应答指令，并执行相应的操作。

表4 设置继电器指令

■3.2 嵌入式软件程序

在监测控制端，STM32软件程序主要作用是解析串口数据，并进行数据读取和发送。除必要的校验外，流程图如图3所示，如果接收到的指令码为0x11，则执行握手操作；如果接收到的指令码为0x08，则读取AM2302传感器，并将读取的温湿度数据添加帧头和校验字节后发送给远程管理平台；如果接收到的指令码为0x06，则返回继电器状态给远程管理平台；如果收到的指令码为0x04，则将指令码后的2字节数据赋值给继电器状态寄存器。

图3 监测控制端软件流程图

■3.3 上位机软件设计

LabView是美国国家仪器（NI）公司研制的图形化程序开发环境，在测试测量、仪器控制等领域应用广泛[8,9]。本系统使用LabView设计上位机软件，界面如图4所示。

图4 上位机软件界面

在使用本软件时，首先需要设置模块地址、采样间隔时间、湿度和温度的阈值电压等基本信息。由于当空调和除湿器开启后，一定时间后环境温湿度才会变化，因此设置的温湿度下限应高于《规定》要求，上限应低于《规定》要求。软件通过VISA串口与LoRa模块通信，自动读取传感器数值，智能化开启或关闭继电器。当通信失败或温湿度超出《规定》中的要求时，发出警告，以提示用户设备发生故障。此外该软件具有手动单次读取当前温湿度，手动开启或关闭空调、

除湿器功能。

4 结论

本研究基于LoRa无线通信技术和嵌入式技术，设计了用于人事档案库的温湿度管理系统，该系统已经在我校档案库进行了实践应用，应用结果表明，该系统能够全面、准确地保障档案存储环境适宜，促进了人事档案管理的信息化建设。