基于LoRa的景区环境监测系统设计

彭先华

(江苏联合职业技术学院扬州分院,江苏 扬州 225003)

0 引言

随着全球物联网技术的飞速发展以及国家全域旅游产业发展环境下游客对旅游体验需求的不断提升,景区内环境监测系统的需求持续增大,成为各热点景区提质增效的重要手段。旅游服务业是旅游城市的重要支柱产业,游客在景区的舒适度以及游玩体验是城市管理部门需要考虑的重要因素,而进行景区环境监测作为辅助手段,有助于促进景区服务质量的提升。

本文以LoRa技术、LoRa网关与云平台相结合的监测方案,研究出一种基于LoRa的景区多点环境监测系统,通过在景区内建立一定数量的无线监测节点,将一定周期内的传感数据及时存储记录,利用LoRa技术获取采集节点的数据经LoRa网关传输到云平台。该系统在景区内不同的位置,设置多个节点,监测温湿度、光照、空气质量等环境参数[1],将数据实时反馈至管理中心,有助于管理部门及时采取针对性措施,以便更好地服务游客,提升体验度等。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体方案设计

该系统由LoRa节点、LoRa网关以及物联网云平台组成。LoRa节点通过LoRa无线通信方式与网关进行组网通信,节点选用STM32系列芯片,各个传感器按照主控芯片的指令感知到传感数值后送入芯片进行处理解析并上报到LoRa网关[2]。网关通过网络将数据上传至物联网云平台,云平台能实时展示各传感数值,保存之前的数据作为历史记录,可通过应用程序编程接口(Application Programming Interface,API)方便地对其他终端应用系统进行监测和预警。其整体方案设计如图1所示。

1.2 数据采集节点

数据采集节点是感知层的重要组成部分,主要由STM32单片机、LoRa模块和传感器组成。主控芯片采用STM32L151C8T6D,该芯片是一款低功耗微控制器芯片,适用于要求电池使用寿命长、功耗低的应用场景,主频高,外设接口丰富,通过芯片通用型输入/输出(General Purpose Input/Output,GPIO)或采用模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)方式采集各类传感数据,能满足传感器数据的采集和LoRa无线通信的要求。

节点上集成LSD4RF-2F717N30无线模块用于LoRa无线通信,该模块基于SEMTECH射频集成芯片SX127X[3],是一款高性能物联网无线收发器,具有抗干扰能力强、功耗低等特点,支持低功耗远距离收发通信。

1.3 温湿度光照传感器

温湿度光照传感器集温湿度和光照传感器于一体,温湿度传感器采用SHT11,其作用为采集景区内节点周围的温湿度数据,当收到网关读取传感数据的指令后,将传感数据响应给网关。SHT11温湿度传感器具有已校准数字信号输出功能,内部集成度高,可以独立完成信号转换功能,其接口电路设计简单,支持传输校验,能有效地保证数据传输过程中的低差错传输,具有温度补偿测量算法和露点计算功能。

光敏晶体管型号为GB5-A1E[4],利用其光电效应作用,实现光电转换,从而完成光照数据的采集,其输出光电流随着光照强度变化而变化,但对不同波长的入射光的响应程度不同,其典型的感光光谱为880 nm,响应速度约为4 μs。产生的光电流通过电阻转换成电压量,再经ADC送入微处理器内部实现AD转换即可获取相应的光照数值。

1.4 空气质量传感器

空气质量数据获取采用MQ135空气质量传感器,是一种用于检测空气中特定气体浓度的传感器,主要用于监测一氧化碳、氨气、甲醛、二氧化硫等。MQ135传感器的工作原理是基于半导体敏感元件。该传感器包含一组能对目标气体产生电阻变化的敏感元件。当目标气体浓度增加时,传感器的电阻也会相应变化。这种电阻变化被测量并转换为相应的气体浓度值。MQ135空气质量传感器可以广泛应用于各种场景,包括景区环境监测等,具有多功能性、高灵敏度、简便易用、高可靠性、低成本等优势。

1.5 LoRa网关

LoRa网关是一种基于LoRa技术的通信设备,用于构建低功耗、长距离的无线物联网通信网络。本设计中数据汇集采用新大陆LoRa网关。该网关作为LoRa网络的关键组件,扮演着数据传输和连接终端设备与云平台之间的桥梁角色,通过构建稳定、高效的LoRa物联网通信网络,为实现物联网应用提供了可靠的技术支持。其主要特点和功能有:长距离通信、低功耗、多连接支持、安全性、易部署、云平台集成。

2 系统软件设计

2.1 系统总体软件设计

该系统软件设计采用的平台为KEIL5和STM32CubeMX,使用的编程语言为C语言,采用HAL库来进行开发。通过STM32CubeMX创建工程并初始化系统时钟、外设、GPIO等,能大大简化开发流程。

2.2 节点模块程序设计

节点作为感知层的主要环节,有2方面的作用:一是与各类传感器协同工作,收集环境数据,通过定时发送查询请求与控制命令来获取各个传感器采集到的实时数据。具体的程序设计采用主控芯片的ADC功能来获取光照数值,通过I2C总线方式来控制和读取温湿度数值;二是按照一定的通信协议将采集到的数据发送给网关,在需要时将其进行存储,协议规约可以按照相关准则自行设定。系统运行后首先进行初始化,随后定时向传感器请求数值,并链接到网关,利用主控芯片的定时器功能设定上传时间间隔,再依照设定的协议规约进行封装融合,根据预定的通信信道和频率上报数据,随后进入空闲模式,直到下一次数据上报时间到来[5],在定时程序中增加一个随机延时片段用于防止发送冲突。在实际应用中,LoRa节点可能会面临各种异常情况,如信号干扰、数据丢失等。程序设计应包括适当的异常处理和错误恢复机制,以确保系统能够在不稳定的环境中正常运行。

2.3 网关软件设计

LoRa网关的功能为接收节点模块上报的数据,同时还要将数据上传给物联网云平台上的项目应用,以供调用。在整个系统设计中,网关按照地理位置分布在区域内一定的点上,网关的数量可以视周边的节点模块及传感器数目灵活增加,其连接的节点数量和传感器类型不尽相同。程序要能够灵活进行频率设置、云平台参数设置、传感器标识配置等,还要实现多通道支持,以便网关可以同时监听和处理多个LoRa通信频道,提高通信效率。

3 系统配置

3.1 云平台配置

环境数据采集汇总后需要借助物联网云平台进行展示和应用,通过云平台,用户可以直观地掌握各个节点的监测数据。系统采用新大陆NLECloud物联网云平台,登录云平台开发者中心,分3步完成云平台配置:(1)在开发设置中设置API密钥期限和生成调用API的密钥,密钥期限可以选择比较远一点的日期,以保证API在比较长的时期内有效;(2)在开发者中心创建项目,设置好项目名称,选择相应的行业类别和联网方案,之后添加设备,为每一个设备设置名称、标识并选择通信协议,该系统要添加的设备即为LoRa网关;(3)通过数据流同步获取每一个设备所属的传感器或者手动配置各个传感器的参数。

3.2 LoRa网关配置

LoRa网关能将节点采集到的环境数据按照一定的格式上报给物联网云平台,基于灵活性和操作便捷性考虑,按照节点模块程序以及网关固件程序中的设计,使用专门的配置工具通过串口方式对LoRa网关进行配置。网关的配置主要是完成网络设置、LoRa参数配置和云平台服务的配置。网络配置实现读取和配置LoRa网关的网络设置;LoRa参数配置实现频率、网络ID等的配置,这些参数需要与LoRa节点相对应以确保通信正常;云平台服务配置主要实现物联网云平台服务器地址和端口的配置以保证LoRa网关能够与服务器建立连接,还需要进行设备标识、传输密钥等参数的配置,其中设备标识、传输密钥等参数需要和上一节云平台配置中每一个设备的标识、密钥相一致。

3.3 云平台应用设计与结果展示

系统运行正常后,可以在NLECloud云平台中查看各个设备的在线状态,打开实时数据开关功能,可以通过物联网云平台项目自动构建的Web应用程序监测各节点传感数据的实时展示[6]。在云平台应用界面,可以为当前项目新增一个应用,点击新增打开项目生成器设计界面,以景区的游览图或者该区域的地图作为背景,在地图上传感节点实际放置的位置添加组件,选取并绑定相应传感器数据,完成之后进行发布,便可以在图上真实位置实时显示当前的环境参数数值,在各种终端上都能方便实时地进行监测。除此之外,利用云平台的分布式数据存储功能和计算功能,还可以开发Android和Python等应用程序,通过读取调用云平台中的实时数据和历史数据,在更多的终端实现数据监测。

4 结语

本系统结合LoRa技术与物联网云平台技术,设计了一种基于LoRa的景区环境监测系统,通过在景区内分区部署一定数量的采集节点,通过LoRa与该片区的LoRa网关进行通信,LoRa网关再将采集到的数据上传到云平台,实时准确地监测不同区域不同环境参数的传感数值。该系统整体上成熟稳定、数据准确、实时性好、无盲区覆盖。该环境监测系统能实时有效地展示旅游景区不同游览点更精准的环境参数数值,对提升游客体验度、管理部门发布旅游舒适度预警和提高游览环境水平有积极作用。