基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測終端設(shè)計[摘要]本課題設(shè)計了一個基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺的火災(zāi)監(jiān)測終端控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線控制。本課題講整體系統(tǒng)分為兩部分，第一部分是終端節(jié)點，第二部分是匯聚節(jié)點。本文對這兩部分所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了具體的分析，并且設(shè)計了實現(xiàn)該系統(tǒng)的總體方案。第一部分終端節(jié)點，根據(jù)實際需要，設(shè)計了以STM32L476控制器為主控制器，溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鹘M成傳感器網(wǎng)絡(luò)，再加以LoRa無線通信模塊的整體終端節(jié)點系統(tǒng)。第二部分匯聚節(jié)點，設(shè)計了以STM32L476控制器為主控制器，EC204G模塊和LoRa無線通信模塊為通信系統(tǒng)的整體匯聚點系統(tǒng)。本設(shè)計對LoRa通信技術(shù)的通信距離、通信速率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，市區(qū)內(nèi)無建筑物遮擋的情況下LoRa模塊可以保證300m的通信距離，有建筑物遮擋的情況下LoRa模塊可以保證100m的通信距離。除此之外，對該系統(tǒng)的軟硬件和總體功能進(jìn)行了測試，能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信、環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程智能控制?！娟P(guān)鍵詞】LoRa技術(shù)；火警監(jiān)測；遠(yuǎn)距離傳輸；環(huán)境監(jiān)測；低功耗；無線通信第一章緒論1.1課題研究背景和意義本課題源自科研項目。物聯(lián)網(wǎng)在無線通訊網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送主要方式可以大致劃分以下為兩種:有線和無線。有線信號傳送電纜就是一種在中國傳統(tǒng)意義上是指利用有線傳輸電纜對其他信號來源進(jìn)行無線傳播。隨著這幾年來由于我國移動無線通信相關(guān)技術(shù)的不斷飛速發(fā)展,市面上已經(jīng)開始出現(xiàn)了很多新型的移動無線通信相關(guān)技術(shù)，例如：ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave等。這些技術(shù)通常會被應(yīng)用在類似于智能家居、可穿戴產(chǎn)品等一些對與工作環(huán)境和通信距離要求不是很高的領(lǐng)域之中。我們細(xì)數(shù)了世界上目前現(xiàn)有的各種物聯(lián)網(wǎng)和終端監(jiān)測與控制系統(tǒng),比較先進(jìn)的小型智能家居監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要有兩個,一個就是由蘋果公司所發(fā)展和推出的小型智能家居監(jiān)測與控制系統(tǒng),另一個就是由小米公司所發(fā)展和推出的小型智能家居監(jiān)測與控制系統(tǒng),除此以外我們還有許多基于zigbee的小型監(jiān)測與控制系統(tǒng)。在這眾多的無線通信技術(shù)中GPRS雖然具有傳播距離遠(yuǎn)、傳播速率快等優(yōu)點，但是每月需要支付額外的月租和通信費用造成的成本過高，而且耗電量大，即使是處于休眠狀態(tài)，它的耗電量也會高達(dá)10mA，就算是在無數(shù)據(jù)收發(fā)的情況下它也只能待機12天。現(xiàn)在wifi通訊技術(shù)中我們更多的時候所采用的都是2.4g或者5g頻段,信號的衰減很快,而且wifi這種信號的傳播距離和穿透能力非常的有限,通信功率相對于其他的方式也極為不同,電池很快就會被全部耗盡。zigbee雖然是一種具有極高健壯性、可靠度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),但因為和WIFI使用的是同一頻段，所以非常容易受到同頻干擾。Z-wave所使用的頻段在我國是屬于非民用，實際上真正能容納的節(jié)點很少。lora主要是在1ghz以下的信號頻段之間直接進(jìn)行射頻通訊,因此其不僅具有信號傳播速度距離遠(yuǎn)、功耗低等巨大優(yōu)點,同時其還充分結(jié)合了前向數(shù)字信號擴頻、數(shù)字信號編碼處理和前向信號糾錯數(shù)字編碼等先進(jìn)技術(shù),如果是在空曠的郊區(qū)環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)的話其傳播距離最高可達(dá)到10km，即使在建筑物眾多的城市環(huán)境中，其傳輸距離也可以達(dá)到至少2km，完全可以滿足現(xiàn)實的需求。通常情況下我們會采用無線組網(wǎng)擴展技術(shù)來擴展無線傳輸范圍，雖然其遠(yuǎn)距離的覆蓋可能會對系統(tǒng)的靈敏度產(chǎn)生削弱，但我們可以使用擴頻調(diào)制技術(shù)來提高系統(tǒng)的靈敏度。LoRa技術(shù)還支持空中喚醒功能，即當(dāng)LoRa模塊不需要通信時，可進(jìn)入休眠態(tài)以降低功耗，需要通信的時候再從服務(wù)器將其喚醒。由上可見LoRa不僅有通信距離遠(yuǎn)，可靠性高的優(yōu)點，而且功耗超低，其正常待機時間最高可達(dá)10年。目前，基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用于很多環(huán)境中，具有很大的市場發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在在國外已經(jīng)有很多物聯(lián)網(wǎng)公司開始對于LoRa技術(shù)的研究，但是在國內(nèi)這種情況還相對較少，而且基于國內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，LoRa技術(shù)在國內(nèi)具有很大的發(fā)展空間。結(jié)合LoRa的市場發(fā)展?jié)摿?，以及LoRa技術(shù)自身所具有的優(yōu)勢，即通信距離遠(yuǎn)，可靠性高的優(yōu)點，而且功耗超低，以及城市內(nèi)的火警監(jiān)測終端，量多耗能大，管理麻煩等一系列急需解決的問題。因此本文選擇將LoRa技術(shù)應(yīng)用火警監(jiān)測系統(tǒng)中，因為采用了低數(shù)據(jù)速率的LoRa技術(shù)，這樣做不僅可降低功耗提高終端壽命，而且可以提供很長的通信距離。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外,lora網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)基本上是相對成熟的,而且在許多國家和地方都已經(jīng)開始了lora網(wǎng)絡(luò)的研究試點與政策性部署,根據(jù)國際lora聯(lián)盟近期發(fā)布的一份統(tǒng)計資料報告顯示,目前為止已有17個國家和地區(qū)公開宣布了組建自己的國際化lora網(wǎng)絡(luò)項目的計劃,并且已經(jīng)正式開始在全世界上120多個大中型城市正常運營。lora聯(lián)盟公司作為一個獨特而開放的、非盈利性組織,自2015年成立以來,已經(jīng)發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中增長速度最快、規(guī)模最大的聯(lián)盟之一。聯(lián)盟各位成員通過密切配合、及時溝通交流、分享其經(jīng)驗,共同促進(jìn)lorawan發(fā)展成為世界領(lǐng)先的開放式全球lora標(biāo)準(zhǔn),以期能夠?qū)崿F(xiàn)安全、運營商層次高水平的物聯(lián)網(wǎng)lpwan互相鏈接。由于lorawan具備了一種可以廣泛應(yīng)用于多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的信息技術(shù)和靈活性,其中它既包括了靜態(tài)的設(shè)備也包含了移動通信設(shè)備,以及一系列可以保證互相之間操作性的信息認(rèn)證流程,lorawan協(xié)議已被世界上大部分的國家和地區(qū)主要移動通信網(wǎng)絡(luò)的運營商所認(rèn)可和部署,在100多個地區(qū)和國家都已經(jīng)有一個網(wǎng)絡(luò)提供了連接,并仍然正處于可持續(xù)發(fā)展之中。目前,世界上普遍存在的lora網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)涵蓋了100多個國家。其中,包括由電信運營商,網(wǎng)絡(luò)經(jīng)銷商和其他私人或者獨立組織所采用的互聯(lián)網(wǎng)。在目前的中國,我們所看到的主要就是垂直領(lǐng)域,如智慧城市、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、基于lora的消防系統(tǒng)等智能化技術(shù),許多有針對性的產(chǎn)品和垂直解決方案正在投入到市場,為客戶提供。在國內(nèi),盡管lora技術(shù)的研究與發(fā)展及其應(yīng)用在國內(nèi)起步相對較晚,但是它的發(fā)展勢頭非常充分,國內(nèi)已經(jīng)有許多專門致力于lora模塊及其解決方案研究與開發(fā)工程師的廠商為國內(nèi)lora技術(shù)在國內(nèi)的推廣工作起了重要的帶頭作用,例如augtek、利達(dá)爾、微電子、門思科技等許多公司。由于lora的架構(gòu)比較簡單,又更加易于項目的建設(shè)和組織部署,目前我國市面上也已經(jīng)加大了人們對lora模塊的投資和需求,lora的應(yīng)用已經(jīng)受到了越來越多國內(nèi)企業(yè)和公司的重視以及跟進(jìn),但是由于lora模塊剛剛進(jìn)入國內(nèi)市場的時間比較遲,國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)太多公開的應(yīng)用,大多數(shù)都只是一些小規(guī)模范圍的嘗試點運轉(zhuǎn)。2016年中興聯(lián)合近二十家合作制造商共同聯(lián)合發(fā)起組織建立"中國lora應(yīng)用聯(lián)盟(claa)",旨在促進(jìn)lora應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈在全球乃至中國的應(yīng)用與發(fā)展,特別重要的是通過建立全國性的云化核心網(wǎng)和信息共享互聯(lián)網(wǎng)接入的手段,能逐漸地形成一張全國性的、可以直接運營的虛擬lora應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。2018年3月,阿里集團正式對外宣布全面啟動投入大量資金全力進(jìn)軍中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)核心網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè),阿里云iot網(wǎng)絡(luò)事業(yè)部市場研究和技術(shù)市場趨勢分析中心主任技術(shù)總監(jiān)王云詞在此次新聞媒體發(fā)布會上再次明確強調(diào),阿里云自己自主研制的中國linkwancore物流互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)核心化的網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息安全管理技術(shù)服務(wù)平臺,是阿里云對接和推廣中國lora產(chǎn)業(yè)核心網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)支撐和重大幫助,阿里云將在未來幾年內(nèi)將繼續(xù)努力積極推動中國lora產(chǎn)業(yè)核心網(wǎng)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品落地于整個中國的技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并且已經(jīng)成立了一個相應(yīng)的技術(shù)研究領(lǐng)導(dǎo)小組,與中國lora全網(wǎng)聯(lián)盟內(nèi)的各種技術(shù)合作伙伴,一起努力促進(jìn)了整個中國lora聯(lián)網(wǎng)行業(yè)在整個中國的快速發(fā)展。1.3主要研究問題1.3.1火災(zāi)信息獲取及預(yù)處理傳感設(shè)備定期收集火災(zāi)信息并通過處理程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使其變成可與火災(zāi)信息管控中心交換的數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端通過有線通信技術(shù)將交換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端控制系統(tǒng)，終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的處理和分析。根據(jù)全面的數(shù)據(jù)處理和分析得到的結(jié)果，終端系統(tǒng)主動判定硬件設(shè)備是否出現(xiàn)問題或者是否有火災(zāi)發(fā)生。如果有硬件設(shè)備存在問題或者有火災(zāi)發(fā)生，終端系統(tǒng)會向火災(zāi)信息管控中心發(fā)出警報。1.3.2火災(zāi)信息傳遞及終端控制通過LORA通信技術(shù)對火災(zāi)信息控制中心發(fā)來的信息進(jìn)行接收，終端控制系統(tǒng)確定接收信息的類型。當(dāng)火災(zāi)終端中心發(fā)送的是查詢信息時，按照要查詢的信息終端系統(tǒng)會處理和整合這些所需要的的數(shù)據(jù)。當(dāng)火災(zāi)信息控制中心發(fā)送的是傳感裝置的設(shè)置或控制信息時，終端系統(tǒng)將數(shù)據(jù)整合，通過RS485將信息送入監(jiān)測終端中。監(jiān)測終端處理這些設(shè)置或控制信息以相應(yīng)地設(shè)置或控制傳感器。1.3.3降低終端功耗為了最大限度地降低維護(hù)費用和員工維護(hù)成本，監(jiān)測終端管理工作從人工到智能轉(zhuǎn)換，使終端能夠長時間工作。終端測控系統(tǒng)采用睡眠、超時喚醒或手動喚醒模式，降低終端測控系統(tǒng)的功耗。1.4主要技術(shù)要求基于LoRa的火警監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)終端控制系統(tǒng)主要技術(shù)要求如下：火警監(jiān)測終端以STML476單片機的ARM處理器為核心，LoRa通信模塊、EC204G模塊、傳感器模塊等外設(shè)設(shè)備進(jìn)行溫濕度、煙霧值、火焰溫度等信息的采集、處理和傳輸，當(dāng)檢測終端出現(xiàn)故障時，主動向火災(zāi)信息控制中心上報。（2）設(shè)計匯聚節(jié)點——終端節(jié)點通信協(xié)議，終端節(jié)點可以接收匯聚節(jié)點傳遞的控制信息，實現(xiàn)對監(jiān)測終端的控制。1.5主要研究思路基于LoRa的火警監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)利用有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)融合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的火災(zāi)信息實時準(zhǔn)確的傳遞給火災(zāi)信息控制中心以及接收火災(zāi)信息控制中心的查詢和控制信息。本文主要的具體章節(jié)內(nèi)容和思路如下：第一章：選題背景。本章講述課題的來源、目的、意義，然后是國內(nèi)外在LoRa通信方面的研究現(xiàn)狀和趨勢，然后是本論文要解決的困難、設(shè)計要求、設(shè)計思路。第二章:系統(tǒng)設(shè)計的幾個基本原理。本章主要內(nèi)容是詳細(xì)講述了各種火警消防監(jiān)控通信終端的設(shè)計使用主要基本技術(shù)和工作原理,然后給出硬軟件設(shè)計方案，依據(jù)設(shè)計要求選擇設(shè)計方案。第三章：硬件設(shè)計。本章主要重點介紹了系統(tǒng)包含了軟硬件系統(tǒng)設(shè)計,通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計,系統(tǒng)流程中的模塊設(shè)計等幾個流程概念及其應(yīng)用結(jié)果。硬件設(shè)計方面主要對核心處理器、LoRa通信模塊、數(shù)據(jù)采集部分模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計解析。通信協(xié)議設(shè)計方面主要對無線串口通信協(xié)議的通信數(shù)據(jù)幀格式、通信指令進(jìn)行介紹。軟件設(shè)計方面主要是對整個系統(tǒng)的工作流程做出了詳細(xì)的介紹，其中主要包含初始化、LoRa通信、低功耗模式。第四章：軟件設(shè)計。軟件設(shè)計主要講了終端節(jié)點軟件設(shè)計和匯聚節(jié)點軟件設(shè)計以及通信模式。通信協(xié)議設(shè)計方面主要對LoRa無線通信協(xié)議的通信數(shù)據(jù)幀格式、通信指令進(jìn)行介紹。軟件設(shè)計方面主要是對整個系統(tǒng)的工作流程做出了詳細(xì)的介紹，其中主要包含初始化、LoRa通信、低功耗模式。第五章：系統(tǒng)測試。主要是對火警監(jiān)測終端系統(tǒng)的功能測試，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，對LoRa模塊進(jìn)行測試。第六章：總結(jié)。本章對整個設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)與分析，根據(jù)設(shè)計結(jié)果和分析得出本次論文設(shè)計的不足之處并且提出相應(yīng)的整改建議。第二章系統(tǒng)設(shè)計本章從其功能和應(yīng)用需求兩個角度出發(fā),簡單地對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架和特點進(jìn)行了分析與介紹,并對目前市場上一些比較常見的無線通信技術(shù)和芯片設(shè)計方法以及主控器的芯片設(shè)計方法進(jìn)行了仔細(xì)的對比,最后本章選取了一種采用lora無線通信技術(shù)的芯片設(shè)計方法來直接實現(xiàn)該系統(tǒng)的遙感器、選擇采用STM32L476單片機作為貫穿整個系統(tǒng)的主控芯片，EC204G模塊完成匯聚節(jié)點和云平臺之間的數(shù)據(jù)上傳與接收。2.1功能需求分析隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，火警監(jiān)測設(shè)備成為各個地方必不可少的火警預(yù)警設(shè)備，需求日益增漲。隨之產(chǎn)生的就是是火警監(jiān)測設(shè)備維護(hù)更換的成本增加，對管理者的管理水平要求提升。（1）為了使火警監(jiān)測系統(tǒng)的管理更加科學(xué)有效，必須對火警監(jiān)測系統(tǒng)實行分區(qū)管理，這樣一來所需管理的火警監(jiān)測終端分布范圍更廣，同時為了減少布線成本，就需要超遠(yuǎn)距離實現(xiàn)火警監(jiān)測終端的管理控制；（2）由于一個區(qū)域的終端數(shù)量巨大，因此系統(tǒng)需要有效管理各個火警監(jiān)測終端狀態(tài)信息的上傳以及控制指令的下傳，避免數(shù)據(jù)沖突；（4）同時為了方便管理者對火警監(jiān)測系統(tǒng)的24小時管理，因此系統(tǒng)應(yīng)以一種更加便捷的方式將火警監(jiān)測終端的狀態(tài)信息展現(xiàn)給管理者，同時將管理者的指令下達(dá)至火警監(jiān)測終端，而不受地域的影響；2.2系統(tǒng)總體框架設(shè)計針對上述的實際需求,本工程課題一個用于樓宇內(nèi)的小型火警消防監(jiān)控系統(tǒng)終端消防管理監(jiān)控系統(tǒng)的終端整體設(shè)計框架結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖圖2.1所示圖2.1LoRa火警監(jiān)測系統(tǒng)整體框架整個系統(tǒng)的主要工作原理流程主要如下：終端節(jié)點主要是通過DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和Flame-D火焰?zhèn)鞲衅鞯榷喾N方式對其進(jìn)行溫度測量,檢查空氣溫濕度、煙霧量的濃度、火焰溫度三項數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)各模塊采集到的上述三個數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時系統(tǒng)會發(fā)出警報并上傳數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點；每個終端的數(shù)據(jù)采集模塊都會將各自采集到的信息數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊傳輸給匯聚節(jié)點，在匯聚節(jié)點內(nèi)緩沖處理，防止數(shù)據(jù)沖突；為了方便維修人員迅速找到故障終端，根據(jù)區(qū)域、樓層對每一個終端進(jìn)行編號；然后匯聚節(jié)點會把所有接收到的信息通EC204G模塊上傳至云平臺，最終該片區(qū)內(nèi)所有火警監(jiān)測終端的狀態(tài)都會以網(wǎng)頁的形式展現(xiàn)給用戶；用戶在任何地方都可以登入網(wǎng)頁查詢火警監(jiān)測終端的信息。2.3無線通信方案的選擇2.3.1LoRa擴頻技術(shù)的簡介lorao該技術(shù)最早版本是2013年8月由美國semtech公司正式設(shè)計發(fā)布的,是一種新型的基于高頻線性控制調(diào)頻和自動擴頻器的線性調(diào)制通信技術(shù),既完全保留了與傳統(tǒng)圖像通信頻移鍵控(fsk)線性調(diào)制相同的低頻高功耗調(diào)制特性,又明顯地大大減少了與圖像通信的傳輸距離。在實際的通信應(yīng)用中,其長度高達(dá)157db的高速鏈路數(shù)據(jù)預(yù)算處理方式可以使得一個采用基于lora通信協(xié)議的小型物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備傳輸無線通信數(shù)據(jù)距離長度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過15km(特別適合用于城市和農(nóng)村郊區(qū)),它被廣泛認(rèn)為可能是一種新型的基于1ghz以下的超矢量長距低速高功耗無線數(shù)據(jù)傳輸處理技術(shù)的通信芯片。它的這個英文名字最早就是來源于"longrange"的一個英文單字縮寫,是基于lpwan中的無線通信技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的一種,主要技術(shù)意義上就是為了讓普通用戶和通信工程師們能夠提供一種簡單的通信方式,能夠直接使用實現(xiàn)無線遙感器的一種遠(yuǎn)距離、低負(fù)載功耗的一種無線通信系統(tǒng)技術(shù)。目前,lora主要應(yīng)用是在一個ism應(yīng)用頻段上開始運行,主要應(yīng)用是一個包括433mhz、868mhz、915mhz的非免費授權(quán)應(yīng)用頻段(國內(nèi)主要用戶是免費使用470-518mhz),無需任何申請就可以能夠直接免費進(jìn)行移動互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)建設(shè),在國內(nèi)開始運行應(yīng)用時不必再擔(dān)心需要另外的人支付大量通信費,這也就直接構(gòu)成了目前l(fā)ora在國內(nèi)相關(guān)通信廠商身上推廣的一個重要技術(shù)賣點。2.3.2LoRa與NB-IoT的對比與華為主推NB-IoT技術(shù)不同，中興主推的是LoRa技術(shù)。2016年1月,在國際lora應(yīng)用聯(lián)盟的大力幫助和支持下,中興聯(lián)合了將近二十家中國企業(yè)共同宣布成立"中國lora應(yīng)用聯(lián)盟(claa)"。目標(biāo)是為了推動lora產(chǎn)業(yè)鏈在中國的整體發(fā)展與應(yīng)用,逐步建立一張完整的全國范圍內(nèi)的可以直接運營的虛擬lora互聯(lián)網(wǎng)。其中兩者之間的對比如表2.1所示：NB-IoTLoRa傳播速度30-70Kbs<50Kbs通訊距離15KM城市3KM；郊區(qū)20KM頻段運營商頻段150MHZ-1GMHZ功耗3mA10-12mA模組成本30-40元30元網(wǎng)絡(luò)部署與現(xiàn)有蜂窩基站復(fù)用收費獨立建網(wǎng)，免費表2.1LoRa與NB-IoT的參數(shù)對比雖然在傳播速度、通訊距離、模組成本方面兩者勢均力敵，但LoRa相對NB-IoT而言具有以下幾個優(yōu)勢：1、在互聯(lián)網(wǎng)的自由性方面,nb-iot可以借用的是一些運營商的蜂窩基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,雖然這些設(shè)備可以通過與其他運營商共享蜂窩基站來有效節(jié)約成本;但是運營商目前現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)和配套設(shè)施卻不能完全覆蓋較為偏遠(yuǎn)地區(qū)。lora是通過自由組網(wǎng)來直接進(jìn)行無線通信和網(wǎng)絡(luò)的一種架構(gòu),使用更加靈活、方便,并且不受到任何現(xiàn)有設(shè)施的限制,無論在什么地方,只要是有了需求,都能夠進(jìn)行部署,企業(yè)甚至個人也能自由組網(wǎng)。2、安全性方面，因為NB-IoT使用的是運營商現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，所以數(shù)據(jù)都是要經(jīng)過運營商才能轉(zhuǎn)發(fā)給企業(yè)，這些數(shù)據(jù)里面有些可能是企業(yè)的內(nèi)部數(shù)據(jù)或者是商業(yè)機密，是不能外漏的，在這方面來講，NB-IoT的安全性較低。LoRa因為是自組網(wǎng)絡(luò)而且是自主定義通信協(xié)議，所以基本上不存在數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險。3、在頻段性這一點上,還是由于nb-iot都是通過電信運營商的互聯(lián)網(wǎng)來直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,所以電信運營商必須向其他電信公司提交額外費用;但lora使用的1ghz以下的非授權(quán)頻段(目前中國主要采用470-518mhz),不必再申請就能直接構(gòu)建一個自組的網(wǎng)絡(luò),而且不必另外支付其他通信費,減少系統(tǒng)的運營成本。從系統(tǒng)的運營成本角度出發(fā)，LoRa比NB-IoT更適合火警監(jiān)測終端系統(tǒng)，且其組網(wǎng)方式更加靈活。2.3.3LoRa與WiFi、ZigBee、藍(lán)牙的對比目前在中國市面上廣泛使用最廣而且成熟的四種無線通訊通信技術(shù)主要分別是無線wifi、zigbee和無線藍(lán)牙,其中LoRa和這三種技術(shù)的對比如表2.2所示：表2.2LoRa與WiFi、ZigBee、藍(lán)牙的參數(shù)對比WiFiZigBee藍(lán)牙LoRa傳播速度11-600Mbps100Kbps1Mbps<50Kbs通訊距離20-200m2-20m20-200m城市3KM；郊區(qū)20KM頻段2.4G、5G2.4G、868MHZ、915MHZ2.4G150MHZ-1GMHZ功耗10-50mA5mA20mA10-12mA模組成本10-20元20-30元20元30元雖然單個模組的功耗以及其成本方面LoRa與WiFi、ZigBee和藍(lán)牙相比并沒有多大優(yōu)勢。但是如果WiFi、ZigBee和藍(lán)牙這三種技術(shù)來實現(xiàn)火警監(jiān)測系統(tǒng)的管理，就需要設(shè)立大量的設(shè)備，增加成本。所以為了便于管理并降低運行成本，火警監(jiān)測終端管理系統(tǒng)需采用超遠(yuǎn)距離通訊的無線技術(shù)。綜上所述，本系統(tǒng)采用LoRa技術(shù)來實現(xiàn)火警監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信。2.3.4LoRa模塊的選擇本管理系統(tǒng)只要采用新的lora控制模塊即可作為一個新的無線通信控制模塊。其中的外部硬件集成電路主要部分是由一個sx1278芯片和內(nèi)部外圍集成電路以及無線電和射頻信號接收器等部分部件構(gòu)成。模塊在空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是隨機的，并且有LoRa特有的加解密算法，使得數(shù)據(jù)即使是被截獲也不會出現(xiàn)泄密的風(fēng)險；并且所有的數(shù)據(jù)在傳輸之前都會進(jìn)行壓縮，可以有效的減少傳輸時間，降低受干擾的概率，保障了系統(tǒng)可靠性、傳輸效率以及安全性。2.4主控芯片的選擇目前市面上的主控制芯片主要有FPGA、DSP、樹莓派、單片機等，各個控制器的特點如下：FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列，是一種專門廣泛應(yīng)用于定制集成電路(asic)定制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域其中的半陣列定制集成電路,既有效地徹底改正了傳統(tǒng)定制集成電路入門無法及時修改的技術(shù)缺陷,又有效地徹底克服了我們原有的現(xiàn)場可編程定制器件的入門和半陣列定制電路個別多且少的技術(shù)缺陷。因此常應(yīng)用在通信領(lǐng)域等比較高端的場合，同時也是現(xiàn)代IC設(shè)計驗證的主要驗證方法。但是因為價格昂貴，其并不適合用來做火警監(jiān)測終端的控制芯片。DSP是一種通過數(shù)字信號來處理大量信息的微處理器。適合于較低采樣速率下的多進(jìn)程、比較復(fù)雜的計算。常用于圖像處理，相比于FPGA價格便宜一些，但對于火警監(jiān)測終端系統(tǒng)來說，還是有些昂貴。樹莓派主板是一款基于硬盤arm的微型平板計算機專用主板,自帶了大內(nèi)存和大硬盤、usb無線接口、以太網(wǎng)等多種無線接口,可供您用來無線連接電腦到您的鍵盤、鼠標(biāo)和無線的上網(wǎng)線,并且還同時具備了arhdmi等超高清的音視頻以及數(shù)據(jù)插入輸出多種接口,經(jīng)常被用于各種智能系統(tǒng)中。但其成本比FPGA和DSP還要高。因此從成本方面考慮，樹莓派同樣不適合作為火警監(jiān)測終端的主控芯片。綜上所述,本次技術(shù)測試項目中的超微單片控主機新型模塊化集成電路也就是一個基于超微單片機的新型芯塊化集成電路。單片機設(shè)計具有硬件體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好,運算處理能力足以滿足火警監(jiān)測終端系統(tǒng)的需求，而且最重要的是價格便宜，性價比高，對于終端設(shè)備需求量巨大的火警監(jiān)測終端系統(tǒng)來說再適合不過。2.4.1主控芯片單片機的選型STM32單片機是意法半導(dǎo)體的一款單片機，選擇它而不是其他普通的八位單片機的原因是是它可以直接對寄存器進(jìn)行編程；因為同一系列單片機的構(gòu)造相近，便于進(jìn)行功能移植，因此本系統(tǒng)的匯聚節(jié)點模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，火警監(jiān)測終端的均采用STM32L476單片機作為主控芯片。2.4.24G模塊的選擇4g-lte通信技術(shù)同時還因為具有了實時通信數(shù)據(jù)速度快、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點頻譜廣、通信靈活等幾大優(yōu)勢,所以我們通過采用4g-lte通信技術(shù)應(yīng)用來直接實現(xiàn)了一種匯聚各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和各種云計算平臺之間的實時通信。本文所述的需要設(shè)計采用的4g處理模塊分別是ltec204g實時通訊處理模塊;同時采用lte3gpprel.9技術(shù);同時支持最高實時下行下載速率100mbps和最高實時上行下載速率50mbps。ec20可以輕松實現(xiàn)3g與4g之間的高速無縫視頻切換。ec20系列的無線模塊組還可以同時能夠兼容于目前現(xiàn)存的的edge和edgsm/gprs無線網(wǎng)絡(luò),可以同時能夠做到不僅在目前缺少3g和4g無線網(wǎng)絡(luò)的一些偏遠(yuǎn)地區(qū)還可以能正常上網(wǎng)運行。EC20可以完成無線接收、發(fā)射、基帶信號處理、語音撥號、短信收發(fā)、撥號聯(lián)網(wǎng)功能。2.5傳感器的選擇2.5.1煙霧傳感器的選擇煙霧傳感器也可以簡稱煙霧報警器或煙氣感應(yīng)報警器,能夠探測火災(zāi)時產(chǎn)生的煙霧。內(nèi)部設(shè)計采用新型光電感應(yīng)排煙檢測器件,能夠廣泛應(yīng)用于各類公共場所的消防火災(zāi)和其他危險性質(zhì)的檢測。煙霧報警傳感器外部還還設(shè)有一個蜂鳴器,報警后煙霧能夠及時發(fā)出劇烈的嗡嗡聲響。本系統(tǒng)通過比對之后選擇采用MQ-2型煙霧傳感器。2.5.2溫濕度傳感器的選擇濕度傳感器以溫濕度一體式的探頭作為測溫元件，將采集到的溫度和濕度信號輸出，在經(jīng)過電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號或電壓信號輸出。本系統(tǒng)選擇采用的是DHT11溫濕度傳感器。2.5.3火焰溫度傳感器的選擇火焰式火源傳感器是專門為了快速搜索和準(zhǔn)確監(jiān)測各種火源而進(jìn)行設(shè)計的一種傳感器,本種火焰?zhèn)鞲衅麽槍Ω鞣N光線特別靈敏?；鹧?zhèn)鞲衅髦饕粡V泛地用于應(yīng)用在一些容易燃、難爆的公共場所,用來準(zhǔn)確判斷室內(nèi)有無發(fā)生火焰現(xiàn)象產(chǎn)生。火焰式光源傳感器目前可以被廣泛地被應(yīng)用來用于檢測各種火源或其它各種波長范圍為760納米~1100納米之間的特殊光源,探測器看到的光源角度最高甚至可以直接達(dá)到60度,性能穩(wěn)定可靠。本次系統(tǒng)的選擇采用了flame-d火焰?zhèn)鞲衅?。第三章火警監(jiān)測終端控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計本節(jié)主要介紹了火警監(jiān)測終端物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先簡要介紹了該系統(tǒng)的整個硬件組合,分析各個模塊之間的通信方式，以及工作原理；然后詳細(xì)分析火警監(jiān)測終端的設(shè)計思路；最后介紹數(shù)據(jù)采集模塊的組成、作用及其工作原理。3.1硬件總體框架設(shè)計系統(tǒng)硬件電路按照監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸過程可以分為兩部分：終端節(jié)點和匯聚節(jié)點。終端節(jié)點由STM32微處理器、多種傳感器、鋰電池模塊和LoRa通信模塊組成，完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送至終端節(jié)點的功能。匯聚節(jié)點包括STM32微處理器模塊、LoRa通信模塊、鋰電池模塊和EC204G模塊。匯聚節(jié)點將終端節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)處理打包后經(jīng)由EC204G模塊上傳至云平臺。系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)設(shè)計框圖火警監(jiān)測終端與服務(wù)器之間的通信雖然對與數(shù)據(jù)的實時性和數(shù)據(jù)量要求都不是很高，但是對于成本、功耗、通信距離要求較高，所以選用LoRa技術(shù)來實現(xiàn)本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)。其中三個數(shù)據(jù)采集模塊通過串口與STM32L476單片機相連，然后通過LoRa模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點通過EC204G模塊將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給云平臺。云平臺主要負(fù)責(zé)整個火警監(jiān)測終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和處理，每個火警監(jiān)測終端終端的狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)采集模塊和匯聚節(jié)點模塊上傳給云平臺；同時系統(tǒng)對每個火警監(jiān)測終端進(jìn)行編號，服務(wù)器通過該編號識別具體的火警監(jiān)測終端，并將控制指令以相反的路徑下發(fā)給各火警監(jiān)測。匯聚節(jié)點模塊作為云平臺和終端節(jié)點通信的中繼，主要用于緩解每個火警監(jiān)測終端直接將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器而造成數(shù)據(jù)沖突。該系統(tǒng)是利用lora的星形組網(wǎng)技術(shù)直接實現(xiàn)了匯聚節(jié)點模塊與多個終端節(jié)點模塊之間的通訊,一個匯聚節(jié)點模塊能夠與多個終端節(jié)點模塊進(jìn)行通訊,同時系統(tǒng)中還特別設(shè)定了匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)要求指令,只有這樣當(dāng)匯聚節(jié)點向某一個終端節(jié)點發(fā)出了一個數(shù)據(jù)要求指令,終端節(jié)點才能夠把采集得到的數(shù)據(jù)打包并且發(fā)送給匯聚節(jié)點,否則終端節(jié)點是不會向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的，LoRa模塊可以對接收到的信息進(jìn)行分模塊處理，以此來避免數(shù)據(jù)的沖突。終端節(jié)點主要用于采集火警信息，通過串口通信和LoRa無線網(wǎng)絡(luò)將終端采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點；同時用戶的控制指令也會通過相反的路勁發(fā)送給火警監(jiān)測終端。即：火警監(jiān)測終端的采集的信息會通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)采集模塊單片機；單片機通過LoRa技術(shù)將采集到的火警信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，并在匯聚節(jié)點中緩存處理，然后通過EC204G模塊上傳至云平臺，最后通過云平臺以網(wǎng)頁的形式展現(xiàn)給用戶；同時用戶在網(wǎng)頁上輸入的控制指令也會在匯聚節(jié)點中緩存處理并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳至相應(yīng)的終端節(jié)點，由終端節(jié)點通過串口執(zhí)行控制指令改變火警監(jiān)測終端的狀態(tài)?；鹁O(jiān)測終端主要由各種傳感器組成。3.2火警監(jiān)測終端節(jié)點硬件設(shè)計火警監(jiān)測終端節(jié)點采用了STM32L476控制器作為主控，由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和Flame-D火焰?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成數(shù)據(jù)采集部分來分別進(jìn)行溫濕度、煙霧濃度、火焰三項數(shù)據(jù)的采集，最后由LoRa無線通信模塊來與匯聚節(jié)點進(jìn)行信息傳遞。終端節(jié)點硬件框圖如圖3.2所示：圖3.2終端節(jié)點硬件框圖3.2.1STM32控制器本次系統(tǒng)的設(shè)計中,stm32控制器的工作原理貫穿了整個系統(tǒng)的運行始終,由于全部節(jié)點都是采用了鋰電池進(jìn)行供電,因此stm32控制器的功耗和容量對于鋰電池的使用壽命也會產(chǎn)生很多的影響。stm32l476在使用m4內(nèi)核保持高處理器性能的基礎(chǔ)上,利用了低功耗的技術(shù),為廣大用戶提供了多種更新的低功耗模式,最低功耗可達(dá)到4nA。并且STM32L476具有多種外設(shè)接口，USART1~UART5等五路串口通信，以及USB、I2C、SPI及CAN等接口，還有ADC1~ADC3等3路ADC，提供33個通道?；诘凸暮屯庠O(shè)豐富等優(yōu)點，STM32L476符合本系統(tǒng)設(shè)計的需求。3.2.2LoRa無線通信模塊LoRa模塊選用的內(nèi)置芯片為SX1278，其擴頻通信抗干擾能力強,穩(wěn)定性高，傳輸距離圓，電流消耗低，靈敏度高，滿足系統(tǒng)實際運行過程中對靈敏度的要求,。SX1278的供電電壓是3.3V，可以通過鋰電池供電，適合用于戶外工作。LoRa模塊具有兩種調(diào)制模式一種是FSK調(diào)制和一種是LoRa調(diào)制，可以根據(jù)實際需要的不同來切換不同的模式。LoRa無線模塊原理圖如圖3.3所示：圖3.3LoRa模塊硬件構(gòu)成LoRa無線通信模塊與STM32L476控制器連接方式如圖3.4所示：圖3.4LoRa模塊與STM32L476連接圖3.2.3煙霧傳感器模塊硬件設(shè)計本檢測系統(tǒng)中所需要選用的氣體煙霧污染傳感器為系列mq-2型氣體煙霧污染傳感器,mq-2煙霧污染傳感器的主要檢測芯片分別型號是zxlm393和zxzymq-2氣體污染傳感器,工作時的檢測電壓為直流5v,對于檢測液化氣、天然氣,城市氣和煤氣等常見的有害氣體污染具有較好的檢測靈敏度,測量范圍為300-10000ppm,穩(wěn)定性極高并且可以滿足城市里長期使用,可以不用頻繁更換傳感器,減少了消耗。mq-2煙霧信號傳感器主要采用具有兩種方式模擬量電平輸入和及時tttl和量電平送出輸入兩種煙霧信號的不同輸出輸入模式,本文中主要采用的就是模擬量電平輸出。mq-2煙霧濃度傳感器的工作原理和框圖及其結(jié)構(gòu)如軟件圖3.5所示:圖3.5MQ-2煙霧傳感器原理圖3.2.4溫濕度傳感器硬件設(shè)計本文采用的溫濕度傳感器是DHT11溫濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款通過數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。產(chǎn)品穩(wěn)定性極高并且具有很高的可靠性。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器包含有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。信號傳輸距離可達(dá)20米。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器原理圖如圖3.6所示圖3.6DHT11數(shù)字溫濕度傳感器3.2.5火焰溫度傳感器硬件設(shè)計本文主要介紹采用的一種新型火焰溫度傳感器flame-d火焰?zhèn)鞲衅?flame-d這種火焰?zhèn)鞲衅鲗τ谌魏蔚墓饩€都非常敏感,哪怕是陽光也都會有一些光敏反應(yīng)。當(dāng)現(xiàn)在flame-d通用火焰?zhèn)鞲衅餍酒K中所在器處周圍環(huán)境的所有火焰輻射光譜或者其他其它光源能量未能自動達(dá)到預(yù)先預(yù)計設(shè)定的輸出閾值時,flame-d通用火焰溫度傳感器的一個do口將自動輸出一個新的高電平,當(dāng)其所在器處周圍環(huán)境的所有火焰輻射光譜或者其他其它光源能量輸入不能超過預(yù)先預(yù)計設(shè)定的一個高電平輸出閾限的值時,flame-d通用火焰溫度傳感器芯片模塊中一個do口將自動輸出一個新的低電平;同時現(xiàn)在flame-d通用火焰溫度傳感器芯片模塊的一個數(shù)字式熱力學(xué)能量控制輸入中的do口接口還已經(jīng)能夠與一個單片微電機直接形成串聯(lián)電路相連,通過這個連接單片機的數(shù)字信號電路來直接實現(xiàn)自動檢測儀器溫度的變化高低和檢測電平,由此我們可以實現(xiàn)用來直接實現(xiàn)自動檢測儀器周圍環(huán)境的溫度變化和檢測溫度。flame-d火焰式傳感器的工作原理框圖結(jié)構(gòu)如下表3.7所示:圖3.7Flame-D火焰?zhèn)鞲衅髟韴D

3.3匯聚節(jié)點硬件設(shè)計 匯聚節(jié)點包括STM32STM32控制器、LoRa無線通信模塊，以及EC204G通信模塊。匯聚節(jié)點硬件框圖如圖3.8所示：圖3.8匯聚節(jié)點硬件框圖3.3.1STM32L476控制器同時STM32控制器需要有豐富的外設(shè)接口用以搭載多種傳感器及LoRa通信模塊和EC204G通信模塊，并需要預(yù)留一定的外設(shè)接口為日后系統(tǒng)滿足不同的需求做準(zhǔn)備。3.3.2LoRa無線通信模塊本系統(tǒng)采用lora模塊作為一個無線通訊模塊,系統(tǒng)中對于空間信道的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)都是通過lora擴頻器來進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。其中的硬件電路主要是由sx1278芯片和外圍電路以及無線射頻的收發(fā)電路共同組成,在低速通信領(lǐng)域SX1278具有里程碑的意義。由于該模塊對于空中傳遞的數(shù)據(jù)具有一定的隨機性,其特殊的加解密算法,使得對于數(shù)據(jù)的攔截和刪除都失去了意義;并且采用了數(shù)據(jù)壓縮功能有效地降低了傳輸?shù)臅r間,以及減小了受到干擾的幾率,從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性、傳輸?shù)男屎拖到y(tǒng)的安全。3.3.3EC204G模塊該模塊系統(tǒng)中所需要采用的4g移動通信系統(tǒng)模塊被廣泛稱為ltec204g移動通信系統(tǒng)模塊,ec20是中國移遠(yuǎn)移動通信公司2013年推出的首個ltecat.3模塊;同時采用lte3gpprel.9技術(shù);同時支持最高實時下行下載速度100mbps及最高實時上行下載速度50mbps。ec20即將上線實現(xiàn)3g與4g光纖網(wǎng)絡(luò)的無線接縫快速切換。ec20系列的無線模塊組還可以同時能夠兼容于目前現(xiàn)存的的edge和edgsm/gprs無線網(wǎng)絡(luò),可以同時能夠做到不僅在目前缺少3g和4g無線網(wǎng)絡(luò)的一些偏遠(yuǎn)地區(qū)還可以能正常上網(wǎng)運行。3.4本章小結(jié)本章主要分為三個部分針對硬件和系統(tǒng)的特點進(jìn)行了簡要的介紹,第一部分針對硬件和系統(tǒng)整體特點進(jìn)行了簡要的介紹,簡單地闡述了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其設(shè)計工作原理。第二部分主要對終端系統(tǒng)的主要硬件組成情況進(jìn)行了簡單的介紹,分別介紹了整個終端系統(tǒng)的硬件選擇和各硬件模塊的功能。第三部分對匯聚節(jié)點的硬件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)介紹,其中詳細(xì)的闡述了各匯聚節(jié)點模塊的功能和選擇。系統(tǒng)軟件設(shè)計 本系統(tǒng)軟件組成部分主要可以劃分為最初的終端節(jié)點、匯聚和擴展節(jié)點。匯聚節(jié)點和最終終端節(jié)點之間主要是采用輪詢方式與終端進(jìn)行通信,由最終匯聚節(jié)點向最后一個終端節(jié)點發(fā)出一個數(shù)據(jù)請求命令,終端節(jié)點在接受到一個數(shù)據(jù)請求命令后將采集得到的信息經(jīng)lora模塊發(fā)送至最后一個匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中接受到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行校驗,確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后經(jīng)由EC204G模塊上發(fā)至云平臺。云平臺完成對數(shù)據(jù)的存儲、分析、可視化展示和及時告警等功能。4.1軟件總體框架設(shè)計本文的整個系統(tǒng)分為兩個部分，一是終端節(jié)點，一是匯聚節(jié)點。本章從軟件方面對上述兩個部分進(jìn)行講述。云平臺主要是通過運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)與匯聚節(jié)點建立連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳遞，因此兩者間的通信主要是通過4G模塊實現(xiàn)的，匯聚節(jié)點和終端節(jié)點的通信是通過LoRa模塊實現(xiàn)的，各數(shù)據(jù)采集模塊和LoRa模塊到STM32L476的通信是由串口通信實現(xiàn)。LoRa模塊間采用的是星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比于常用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來說，星形網(wǎng)絡(luò)具有延遲低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。系統(tǒng)的匯聚節(jié)點能并行接收多個終端節(jié)點發(fā)來的火警監(jiān)測終端采集的信息，而所有匯聚節(jié)點接收到火警檢測終端信息的第一時間又會全部上傳至云平臺進(jìn)行處理展示給管理者，從而有效的擴展了系統(tǒng)的總?cè)萘俊?.2終端節(jié)點軟件設(shè)計 終端節(jié)點包括有STM32控制器、多種傳感器和LoRa通信模塊，其功能是對周圍環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度、和火焰情況進(jìn)行監(jiān)測。在接收到匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)由LoRa模塊發(fā)送到匯聚節(jié)點。本文以MQ-2煙霧傳感器的模擬量輸出方式為例進(jìn)行講解。其軟件流程框圖如圖4.1所示。圖4.1終端節(jié)點軟件流程框圖4.3匯聚節(jié)點軟件設(shè)計 匯聚節(jié)點由STM32控制器、LoRa模塊和EC204G通信模塊組成。其主要完成兩大功能：1、分時對多個終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令信息，并接收終端節(jié)點所發(fā)回的監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成匯聚節(jié)點和終端節(jié)點之間的信息溝通。2、將接收到的火警監(jiān)測數(shù)據(jù)通過EC204G模塊上傳至OneNET云平臺，進(jìn)一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析以及數(shù)據(jù)可視化。其軟件流程框圖如圖4.2所示。圖4.2匯聚節(jié)點軟件流程框圖LoRa模塊和EC204G模塊與SMT32處理器之間都采用串口通信進(jìn)行通信，LoRa模塊連接STM32的USART1串口，EC204G模塊連接STM32的UART5串口。USART1串口和UART5串口都采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)放。匯聚節(jié)點完成初始化后首先構(gòu)建MQTT連接包，將多個真實終端連接至OneNET云平臺上相對應(yīng)的云端設(shè)備。緊接著stm32處理器將數(shù)據(jù)通過usart1的串口經(jīng)由lora模塊向某個終端的節(jié)點發(fā)出一個數(shù)據(jù)請求命令,并在這里等待某個終端節(jié)點作出響應(yīng),等到終端節(jié)點將監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)回后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，若數(shù)據(jù)校驗無誤，就對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。終端節(jié)點和匯聚節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳遞的格式定義為：幀頭+數(shù)據(jù)+CRC校驗，其中幀頭包括終端節(jié)點的高位地址、低位地址、信道和編號，數(shù)據(jù)段包括溫度、濕度、火焰、煙霧，如下表4.1所示。幀頭數(shù)據(jù)位CRC校驗位16位32位16位表4.1終端節(jié)點數(shù)據(jù)格式4.4本章小結(jié)本章分為三個部分對系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。第一部分對軟件系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行了介紹。第二部分對終端節(jié)點的軟件框架進(jìn)行了簡單的介紹。第三部分對于匯聚節(jié)點的軟件框架進(jìn)行了介