丁月月，龍光利

（陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

摘 要 ：機(jī)房環(huán)境是保證網(wǎng)絡(luò)中心穩(wěn)定、正常工作的重要因素，通過(guò)分析和研究機(jī)房的環(huán)境檢測(cè)原理和監(jiān)控要求，設(shè)計(jì)了一種基于 LoRa 通信的機(jī)房檢測(cè)與控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)由機(jī)房環(huán)境檢測(cè)模塊和遠(yuǎn)端控制平臺(tái)構(gòu)成。其中，機(jī)房環(huán)境檢測(cè)控制模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并處理，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的符合正常工作的閾值規(guī)則完成控制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端控制平臺(tái)并接收來(lái)自遠(yuǎn)端的管理指令。當(dāng)實(shí)際工作中出現(xiàn)超閾值情況時(shí)，本地機(jī)房?jī)?nèi)的智能環(huán)境檢測(cè)模塊會(huì)通過(guò) LoRa 網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端傳輸數(shù)據(jù)并發(fā)出報(bào)警，可提高機(jī)房工作的安全性保障和管理效率，有利于未來(lái)智能化機(jī)房改造的發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 ：LoRa 技術(shù) ；機(jī)房檢測(cè) ；遠(yuǎn)程控制 ；RS 485 ；UART ；Modbus

中圖分類號(hào) ：TP39 ；TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A?

文章編號(hào) ：2095-1302（2022）10-0028-02

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能監(jiān)控系統(tǒng)在各領(lǐng)域逐漸完善。LoRa 通信具有功耗低、傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，采用數(shù)字?jǐn)U頻，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼等手段延長(zhǎng)傳輸距離，并且當(dāng)多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)相互之間不會(huì)產(chǎn)生影響 [1]。隨著信息化建設(shè)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布廣泛，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全防控問(wèn)題及日常管理工作變得更加繁重。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)機(jī)房環(huán)境檢測(cè)和控制系統(tǒng)具有重大現(xiàn)實(shí)意義，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)機(jī)房環(huán)境溫度、濕度和設(shè)備電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)節(jié)、預(yù)警，當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制繼電器動(dòng)作切斷機(jī)房電源，防止意外發(fā)生。

1 機(jī)房環(huán)境要求

機(jī)房環(huán)境良好可保證網(wǎng)絡(luò)中心穩(wěn)定工作。機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要控制的指標(biāo)種類較多，主要包括溫度、濕度、火焰、漏水、供電等。在系統(tǒng)工作時(shí)，集成芯片是系統(tǒng)工作的核心元器件，而溫度的高低對(duì)集成芯片將產(chǎn)生影響，因此溫度對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。對(duì)于計(jì)算機(jī)電路板而言，靜電會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重大甚至致命的影響，大大縮短計(jì)算機(jī)設(shè)備的使用壽命。若濕度過(guò)低，在相對(duì)干燥的環(huán)境中，極易產(chǎn)生靜電，因此控制機(jī)房環(huán)境濕度不可或缺。防漏水、防火、防盜在機(jī)房建設(shè)和管理中的重要性不言而喻。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由機(jī)房環(huán)境檢測(cè)模塊和遠(yuǎn)端控制平臺(tái)組成。其中，本地機(jī)房環(huán)境檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并處理，然后依據(jù)預(yù)先設(shè)定的，可滿足正常工作需求的閾值規(guī)則對(duì)機(jī)房環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制管理。檢測(cè)模塊通過(guò) LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)將在機(jī)房中采集的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給遠(yuǎn)端控制平臺(tái)，之后接收來(lái)自遠(yuǎn)端管理平臺(tái)的管理指令并完成自我控制 [2-3]。在系統(tǒng)中，多個(gè)環(huán)境檢測(cè)模塊與遠(yuǎn)端控制平臺(tái)采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

以 STM32F103C8T6 單片機(jī)作為檢測(cè)控制模塊主控制器，數(shù)據(jù)采集部分包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電流環(huán)傳感器等，傳輸部分使用 LoRa 通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)端顯示則主要采用LED 顯示屏 [4-6]。主控制器主要電路包含單片機(jī)最小系統(tǒng)及其供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、內(nèi)置電路。主控制器與各類傳感器間的通信通過(guò)與 RS 485 總線接口連接實(shí)現(xiàn)，主控制器可以根據(jù)每個(gè)傳感器在接入總線前各自配置的不同站點(diǎn)地址信息，讀取每個(gè)傳感器所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。主控制器通過(guò)I/O 端口實(shí)現(xiàn)對(duì)各檢測(cè)設(shè)備的獨(dú)立控制，以保證被控設(shè)備工作的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。在與遠(yuǎn)端接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互時(shí)，通過(guò)主控制器的 UART 串口可與 LoRa 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊通信，并通過(guò)串口輸出顯示數(shù)據(jù)。檢測(cè)控制模塊原理框圖如圖 2 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

模塊軟件設(shè)計(jì)基于 C 語(yǔ)言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多線程管理。在程序初始化過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建了 RS 485 傳感器數(shù)據(jù)采集、LoRa 收發(fā)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、I/O 輸出控制、紅外發(fā)送等任務(wù)，并創(chuàng)建了相對(duì)應(yīng)傳輸過(guò)程所需要的消息隊(duì)列，將系統(tǒng)創(chuàng)建的各任務(wù)與中斷服務(wù)子程序進(jìn)行通信。程序初始化完成后，主進(jìn)程將停止運(yùn)行，等待中斷事件觸發(fā)與消息隊(duì)列監(jiān)控，若系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障則重啟設(shè)備。主控程序流程如圖 3 所示。

RS 485 傳感器采集任務(wù) ：將機(jī)房檢測(cè)模塊中的各傳感器連接至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的 RS 485 接口，并在此服務(wù)器中配置被采集數(shù)據(jù)的各傳感器協(xié)議棧。采集程序啟動(dòng)，初始化程序，根據(jù)其 Modbus 地址，波特率和奇偶校驗(yàn)等配制信息采集相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)，并發(fā)送至遠(yuǎn)端控制管理平臺(tái)。遠(yuǎn)端控制管理平臺(tái)對(duì)其接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，最終根據(jù)需求將經(jīng)過(guò)奇偶校驗(yàn)的數(shù)據(jù)信息推送到 LoRa 消息隊(duì)列和顯示消息隊(duì)列中。

LoRa 收發(fā)數(shù)據(jù)任務(wù) ：讀取遠(yuǎn)端管理平臺(tái)推送至 LoRa 消息隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到 LoRa 通信模塊，并且讀取 LoRa 通信模塊接收的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理以及做相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的消息隊(duì)列中 [7]。

數(shù)據(jù)顯示任務(wù) ：讀取所有消息隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端管理平臺(tái)的顯示屏，通過(guò)顯示屏將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示以便觀察，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)超閾值的異常數(shù)據(jù)。

I/O 端口控制任務(wù) ：讀取 I/O 消息隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)內(nèi)容并根據(jù)機(jī)房環(huán)境參數(shù)狀況控制 I/O 引腳電平，控制動(dòng)力設(shè)備的工作狀態(tài)。

紅外發(fā)送任務(wù) ：讀取紅外消息隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)紅外數(shù)據(jù)控制紅外發(fā)射管發(fā)送紅外編碼。

4 遠(yuǎn)端接收管理平臺(tái)

由 USB-LoRa 多通道數(shù)據(jù)通信模塊與多個(gè)環(huán)境檢測(cè)模塊進(jìn)行星型組網(wǎng)，構(gòu)成遠(yuǎn)端控制管理平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中，管理平臺(tái)可使用 C 語(yǔ)言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位于本地機(jī)房的多個(gè)檢測(cè)控制模塊進(jìn)行配置和管理 [8]，例如對(duì)檢測(cè)控制模塊的通信地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行加密配置，對(duì)各檢測(cè)控制模塊的 RS 485 接口傳感器的地址和數(shù)據(jù)查詢指令進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)管理控制，實(shí)現(xiàn)根據(jù)預(yù)先配置的傳感器數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警等 [9-10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于 LoRa 通信的機(jī)房環(huán)境檢測(cè)和控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制本地機(jī)房的環(huán)境要求，預(yù)先設(shè)定好適合機(jī)房正常工作的閾值，當(dāng)實(shí)際工作中出現(xiàn)超閾值情況時(shí)，智能環(huán)境檢測(cè)模塊會(huì)通過(guò) LoRa 網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端傳輸數(shù)據(jù)并發(fā)出報(bào)警。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，可靠度高，可提高機(jī)房工作的安全性保障和管理效率，有利于未來(lái)智能化機(jī)房改造的發(fā)展和應(yīng)用。

注：本文通訊作者為龍光利。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉方躍，鄭偉南 . 基于 LoRa 無(wú)線通信的數(shù)字開關(guān)量數(shù)據(jù)傳輸 [J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2020，50（1）：102-105.

[2] 文淵博，牛澳，毛夏煜，等 . 基于 LoRa 的分布式火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（8）：18-22.

[3] 王基策，李意蓮，賈巖，等 . 智能家居安全綜述 [J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2018，55（10）：2111-2124.

[4] 王浩 . 基于 ESP32 平臺(tái)和 MQTT 協(xié)議的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 軟件工程，2020，23（8）：38-41.

[5] 李建兵，王妍，聶山權(quán) . 基于復(fù)合通信架構(gòu)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng) [J]. 信息與通信工程，2019，20（5）：520-525.

[6] 鄺愛華 . 基于 STM32 的智能家居系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn) [J]. 微型電腦應(yīng)用，2019，35（4）：136-140.

[7] 葛世偉，高平，潘傳佑 . 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng) LoRa 通信技術(shù)的研究 [J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（6）：33-35.

[8] 張培艷，牟丹，成鍇 . 無(wú)線基站電磁輻射研究 [J]. 衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2020，17（13）：131-132.

[9] 張國(guó)梅 . 基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng) [J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（4）：53-55.

[10] 聶壯壯，李偉恒，馮海杰，等 . 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾桶 [J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（3）：62-63.

作者簡(jiǎn)介：

丁月月（2000—），女，陜西鳳翔人，本科。

龍光利（1968—），陜西南鄭人，教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)與電子技術(shù)應(yīng)用。

編輯：黃飛

?