基于LoRa 技术的智能阳台监测系统设计

丁小一，刘宏斌

（合肥职业技术学院，安徽合肥，230000）

0 引言

随着中国经济的飞速发展，高层住宅楼越来越多，这也导致了儿童发生意外的概率大幅提升。据统计，在儿童意外伤害事件中，高空跌落发生比例较高，达到34.6%。发生这样的意外，一方面是因为大人疏于看护[1]，另一方面是由于高层住宅阳台缺乏完善的防护措施。在考虑到儿童行动的不确定性以及防护的时效性，提出了一种基于LoRa 技术的智能阳台监测系统。该系统不仅可以第一时间起到防护作用，集成室外环境实时监测系统，并实现远程交互为人们的生活提供便利。

1 系统的总体设计方案

按照数据处理流程，阳台监测系统可以分为LoRa 采集节点、LoRa 网关节点。LoRa 采集节点采集传感器数据并通过LoRa 无线模块发送到LoRa 网关节点，接收网关节点的命令操作执行器；LoRa 网关节点将接收到的数据，通过WiFi 模块发送到云服务器，并且接收服务器下发的指令发送给采集节点。

本系统主要包含智能防护、环境监测以及远程交互三大功能。其中，智能防护功能是监测系统的核心功能，通过多组激光传感器监测是否有儿童单独进入阳台，如果有，执行关窗操作，避免意外发生；通过温湿度、光敏及雨滴传感器实时监测天气情况，同时OLED显示下雨情况和实时温湿度，从而实现环境监测；Web 后端显示、存储采集的数据，同时可以通过这些数据对应的策略来自动下发控制指令到执行器，实现窗户的开关和晾衣杆的拉伸，从而实现远程交互功能。

图1 系统总体设计结构图

2 系统的硬件设计

■2.1 处理器选型设计

处理器采用意法半导体公司的STM32L151C8T6D 微控制器，如图2 所示，内置64KB Flash 存储器，价格较为便宜，耗电低，工作的环境温度区间在-40℃～85℃。

图2 STM32L151C8T6D主控模块

■2.2 无线模块选型设计

由于网关安装于小区配电房，采集节点安装于阳台，两者直线距离相距数十米。如果使用有线，则需要铺设线缆，耗费人力物力，故采用无线方式进行通信。目前常用的无线通信方式较多，如LoRa、NB-IoT 等[2]。在本系统中，通信距离长，信号需要穿过建筑物墙体，而且NB-IoT 会产生相关的通信费用，综合考虑选用LoRa 作为通信方式。

本系统选用利尔达LSD4RF-2F717N30 无线模块，如图3 所示，它是SEMTECH 公司的SX1278 射频芯片，具有传输距离远、速度快、功耗低、体积小的优点[3]。

图3 LSD4RF-2F717N30无线模块

■2.3 LoRa 采集节点设计

基于以上选用的微控制器、LoRa 无线模块，根据需求，添加相应传感器及电源模块，设计LoRa 采集节点，具体硬件框图如图4 所示。

图4 采集节点硬件结构框图

2.3.1 温湿度传感器模块

温湿度数据的采集选用DHT11 模块，它的湿度测定范围大概在20%～90%之间(精度5.0%)；温度测定的范围大概在0℃～50℃(精度2℃)[4]，主要用来采集阳台的温度与湿度数据，其典型电路如图5 所示。

图5 DHT11 典型电路

2.3.2 激光传感器模块

由于激光具有传输快、相干性好、直线传播且稳定的物理特性，本系统采用多组激光收/发组来判定儿童是否独自进入阳台。激光收/发组由可调激光头和激光接收管组成，其中，可调激光发射头的工作电压为5V、发射功率为50mW、波长为650nm；通电时，激光接收管被激光照射后，从低电平变为高电平。

通过在阳台两侧安装多组激光发射与接收装置，根据家庭成员身高调节相应高度，高位配合低位检测成人进出情况，低位检测儿童进出情况。当激光收/发组仅低位触发时，表示儿童独自进入阳台，控制步进电机关闭窗户；当激光收/发组仅高位或高低位触发时，表示成人进入或成人陪同儿童进入，不执行任何操作。

2.3.3 雨量传感器模块

雨量传感器模块含LM393 比较器，用于检测室外是否下雨，其电路原理图如图6 所示。当感应电路板上没有水的时候，它不会被触发，模块的数字引脚会输出高电平；当感应电路板上有水时，它会被触发，数字引脚会输出低电平。

图6 雨量传感器原理图

2.3.4 步进电机

本系统每个采集节点均选用5 线4 相永磁式电机28BYJ48，用来驱动阳台窗户的开关和阳台晾衣架的推出与收起。选用ULN2003 驱动电机，原理图如图7 所示。核心板每发送一个脉冲信号给ULN2003 驱动板，28BYJ48 按设定的方向转动一定的度数。实际上，分别通过调整脉冲的频率和个数来控制28BYJ48 齿轮速度、加速度以及位移的角度，从而实现电机的调速。

图7 步进电机原理图

2.3.5 OLED 显示屏

本系统选用0.96 寸OLED 显示屏，具有自发光、清晰度高、体积轻薄、刷新频率快等特点，该显示屏与核心板使用I2C 进行通信。

■2.4 LoRa 网关节点设计

一般小区设置一个网关节点，安装于小区配电房。基于以上选用的微控制器、LoRa 无线模块，添加WiFi 模块及电源模块构成LoRa 网关节点，具体硬件框图如图8 所示。

图8 网关节点硬件结构框图

其中，WiFi 模块选用 ESP8266 模块，它是一个低成本的无线连接设备，本系统采用的是体积小巧、功能齐全、价格低廉的ESP 系列ESP-01 模块。ESP-01 模块和主控芯片进行串口通信，主控芯片将打包好的Json 格式数据通过串口发送给ESP-01 模块，ESP-01 模块将数据通过MQTT 协议用WiFi 热点发送至服务器。

3 系统的软件设计

■3.1 LoRa 通信传输协议设计

智能监测系统采集节点和网关节点采用星型组网，数据传输方式采用数据帧模式，为保证监测数据传输过程中的可靠性和准确性，采用CRC 算法对数据进行校验[5]。LoRa 模块通信协议请求命令结构[6]如表1所示，响应命令结构如表2 所示。

表1 LoRa模块通信协议请求命令结构

表2 LoRa模块通信协议响应命令结构

■3.2 采集节点软件设计

LoRa 采集节点采集传感器数据（是否有儿童单独进入阳台、温湿度数据、当前是否下雨等)，在接收到网关节点请求命令后，对数据进行CRC 校验，解析请求命令，如果是读传感器的命令，根据响应命令结构封装数据，并上传给网关节点；如果是控制命令，则控制步进电机，开关窗户或者推拉晾衣杆，具体程序流程图如图9 所示。

■3.3 网关节点软件设计

网关节点的LoRa 模块接收采集节点发送过来的数据，通过SPI 接口发送给主控模块，主控模块通过串口发送给WiFi 模块，进而发送至服务器。同时，网关节点需要解析服务器发来的Json 数据，向采集节点发送命令，具体程序流程图如图10 所示。

图10 网关节点程序流程图

■3.4 Web 后端设计

3.4.1 Web 后端的业务介绍

本系统Web 后端使用原生Java Web 技术与Mybatis 框架。用户在浏览器成功登录系统后，自动跳转到首页，首页会加载当前采集的传感器实时数据，以及来自第三方天气API 提供的实时天气数据、晾晒指数等。在控制页面，可以手动控制执行器，也可以启动并配置策略自动控制执行器，完成控制操作。在传感器数据显示页面，包括实时数据和历史数据，实时数据显示的是每个传感器数据的实时折线图，历史数据显示的是存入数据的记录。Web 后端的业务图如图11 所示。

图11 Web 后端业务图

3.4.2 数据库的搭建

本系统的Web 后端使用MySQL 数据库，在数据库中创建两张表，一张用来存储管理员账户的信息，包括管理员账号的用户名、密码等；另外一张用来存储传感器数据，包括有温度数据、湿度数据、雨滴数据、光照数据、是否仅有儿童进入阳台、发送这些数据的设备id、发送的来源IP、接收到这条数据的时间信息。

4 系统测试

选用天气较好的一天，根据成人(175cm)和儿童(110cm)的身高调整采集节点1 的激光传感器。用户登录系统后，后台首页定时刷新当前采集的传感器实时数据，并显示来自第三方天气API 提供的当前实时天气数据、晾晒指数等信息，具体如图12 所示。

图12 后台首页

在执行器页面，选中设备1，可以手动操作设备1 窗户打开、晾衣架打开，也可以利用配置策略启用/停用自动模式，自动打开/关闭设备1 的窗户和晾衣架，具体如图13 所示。

图13 执行器控制页面

在网页端可以查看传感器实时数据，刚开始是否有小孩进入阳台显示0，说明没有儿童单独进入阳台；从0 变成1，说明有儿童单独进入阳台，自动操作执行器，关闭窗户，具体如图14 所示。

图14 传感器实时数据显示折线图

5 结束

实验表明，本文设计的基于LoRa 技术的智能阳台监测系统，能够实时监测儿童是否单独进入阳台这一危险区域，实现智能防护；

实时监测室外环境，实现环境监测；将采集的数据上传到平台，在Web 后端对所有监测数据进行实时显示、历史查询、数据分析和决策控制，对阳台窗户和晾衣杆实现远程控制，实现远程交互功能，是智能家居的补充，具有一定的推广应用价值。