基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统
张 辉1,2，刘 真2，张 阳1,2
（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009；
2.合肥工业大学 智能制造技术研究院，合肥 230009）
摘 要： 针对现有的基于Zigbee通信的博物馆微环境无线网络系统功耗高、抗干扰性差的缺点，本文提出了一种基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统。基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统通过终端采集温湿度、紫外线、光照强度等信息，网关进行中继，将信息传递给服务器。结果表明，该系统可以起到实时监控以及预警的作用，具有低功耗、远距离、低带宽、覆盖容量大、低成本等优点。
关键词： LoRa；博物馆微环境；无线网络系统；低功耗；远距离
0 引言
博物馆里的各种文物都是由不同的材料构成的，文物损坏主要是文物的材料受到了不适宜的环境影响而出现劣化变质的现象[1]。若将文物置于适宜的环境中即能够合理地保护文物[2]。空气的温度和湿度条件是影响文物材料众多因素中最基本、最常见且影响最大的因素，此外光照与紫外线也对文物产生一定影响[1]。目前国内博物馆文物保护的主要途径是将文物放置在带有环境参数检测和控制的展存环境中，而环境参数检测信号的传输大都采用ZigBee无线网络技术。虽然ZigBee技术的通信频率高，但信号在传输的过程中衰减地非常快，并且ZigBee技术不支持跳频，在整个生命周期中，网络都处于同一静态信道中，这使得ZigBee网络更加容易受到干扰和外界噪声的影响。LoRa是LoRa联盟开发的工作于非授权频段的超远距离低功耗的数据传输技术，其工作于1GHz以下。LoRa采用线性调频扩频调制技术，在保持了频移键控（FSK）调制低功耗的特性的基础上又提高了网络利用率和抗干扰能力，具有远距离、低功耗、低成本、低速率、标准化等特点[3]。
二次发酵法：称料→中种面团调制→基本发酵→主面团调制→延续发酵→分团→滚圆→中间醒发→整形→最后醒发→烘烤→冷却→包装。
图1 基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统
Fig.1 Museum microenvironment wireless network system based on Lora communication
本文设计了一种基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统，实现了对博物馆展柜中温湿度、紫外线、光照等微环境参数的实时监控以及预警，从而为博物馆文物保护提供可靠的信息数据。
1 系统总体设计
LoRa网络架构由终端节点（包含传感器）、网关/中继、网络服务器、应用服务器4部分组成[4]。在LoRa网络中终端节点将采集的数据通过上行链路汇聚到网关，网关再进行简单地处理和转发[6]，网络服务器通过TCP/IP网络（RS485、LTE、Ethernet等）接收网关发送的数据。终端节点根据工作方式的不同可规划为Class A、Class B、Class C 3种模式[5]。网关与终端节点之间可以实现双向通信，并且每个终端节点发送的数据都能够被多个网关接收。网络服务器则在MAC层上进行管理，比如清除多余的数据包、进行安全管理、进行网关的选择和网关管理、进程确认、选择自适应速率等[4]。应用服务器从网络服务器那里获取数据，并对数据进行分析、实时展示、即时报警[3]。
1.1 系统总体结构
基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统主要包括终端、LoRa网关以及服务器。应用于博物馆无线网络系统的终端节点通过软件程序设置为Class A模式。系统通过终端采集温湿度、紫外线、光照等信息，网关起到中继作用对网络服务器和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和TCP/IP上，将信息传递给服务器，对博物馆文物展存环境中的温湿度、紫外线、光照等信息进行实时地监控和预警。基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统如图1所示。
图2 系统网络拓扑图
Fig.2 System network topology diagram
1.2 系统网络拓扑结构
后续应用管理主要包括以下4方面：
在星状网并发的网络架构中，网关可与多个节点同时进行通信，节点根据信道阻塞和外界环境的变化，自动采用自适应速率和跳频技术随机上报数据，自适应速率和跳频技术减少了大量节点上传数据给网关时发生冲突的概率。星状网并发系统可以交叉组网，单独建网，具有极大的延拓性[8]。系统网络拓扑图如图2所示。
2 系统硬件设计
基于LoRa通信的测控系统硬件框架如图3所示，主要由传感器模块、LoRa设备节点、电源、网关和上位机等模块组成。LoRa设备节点中的处理器模块采用微控制器STM32L052C6T6，负责存储和处理采集的数据；无线通信模块选用收发器F8L10D，LoRa设备节点负责与LoRa网关进行通信；电源模块包括两节5号电池或稳压模块、电源适配器、基准电压源AD780等，负责给系统各模块提供稳定的电压；上位机可通过LoRa网关来访问LoRa设备节点。
1）实时监测：实时显示当前博物馆中温湿度、光照和紫外线的强度。
2.1 终端硬件设计
用户管理的软件接收到温湿度、光照和紫外线传感器的数据后，对收到的数据重新进行多项式运算，得到CRC的值，并与数据末端的CRC值进行比较，若两者相同，则进行后续应用管理；若两者不同，则说明当前数据异常，丢弃该数据包。
图3 网络系统硬件框架图
Fig.3 Hardware frame diagram of network system
LoRa设备节点的控制器采用STM32L052C6T6，STM32L0系列采用Cortex-M0+内核，适合电池供电或供电来自能量收集的应用，这对于基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统中需要电池供电的终端来说是不错的选择。ARM Cortex-M0+内核的电荷由新的自主式外设（包括USART、触摸传感控制器、I2C）分担，减少了CPU的唤醒次数，也相应地减少了处理时间核的功耗。相较于STM32F103，STM32L052C6T6的优势在于具有睡眠、停止及待机3种工作模式，中断响应系统与优越的计算性能。利用STM32L052C6T6的超低功耗特性以及调整设备节点数据采集周期来降低设备节点的功耗，相同条件下使设备节点能够运行更长时间。终端设备的系统框架图如图4所示。
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1）数据采集模块：利用微控制器STM32的I2C读取温湿度传感器、紫外线传感器和光照传感器的数字输出。
2）实时时钟模块：为系统提供统一的标准时钟，便于数据分析。
3）存储模块：采用AT24C256进行数据存储，实现环境数据的实时存储，掉电不丢失。
4) 电源模块：采用可充电电池，通过电源转换芯片，为系统提供稳定的3.3V电源。
2）智能预警：当温湿度、光照或者紫外线强度超过标准范围，则产生报警信号。
海兰脸上的忧色如同一片阴郁的乌云，越来越密：“可不是！妾身虽然低微，但也是秀女出身，这些事知道一星半点。圣祖康熙爷的生母孝康皇太后的佟氏一族就是大清开国以来第一个抬旗的。那可无上荣耀啊！”
数据采集的软件运行在STM32L052C6T6上，主要完成博物馆的温湿度、光照与紫外线数据采集以及通过LoRa模块上传和接收数据或命令。上电后，进行初始化，设置所需的参数及变量的初值以及为它们进行内存分配，循环采集光照和紫外线传感器的数据，一次时钟中断触发一次数据采集。采集了60次数据后，对数据进行平均滤波处理。引入循环冗余校验以防止数据发送过程中出错。在对数据进行CRC确保数据准确无误后，将采集到的信息通过LoRa射频发送至网关。其流程如图6所示。
6）人机交互模块：采用TFT液晶，实时显示测量数据与工作状态。
2.2 微环境参数监控系统框架
图4 终端设备系统框架
Fig.4 Terminal device system framework
图5 微环境参数监控系统框架
Fig.5 Framework of micro-environment parameter monitoring system
微环境参数监控系统框架如图5所示。温湿度、光照与紫外线传感器布置在博物馆中各个展柜内，设备节点采集各传感器信息，通过网关中继传递给上位机，同样上位机通过网关向设备节点发送控制命令，其中网关的数量由博物馆的实际环境决定，博物馆管理员通过上位机界面实时监控博物馆各个展柜内温湿度、紫外线与光照强度是否在标准范围内，以便及时采取措施进行调控，从而起到实时监控和预警的作用。
3 系统软件设计
基于LoRa通信的博物馆测控系统软件设计部分主要包括数据采集软件设计和用户管理软件设计。
3.1 数据采集软件设计
5）通讯模块：LoRa模块实现节点与节点之间的通信以及节点与网关之间的通信。
图6 采集程序流程图
Fig.6 Flowchart of the acquisition program
3.2 用户管理软件设计
本文采用MCU+RF硬件解决方案。如图3所示，设备节点主要由超低功耗微控制器STM32L052C6T6、收发器F8L10D和电源模块组成，这部分电源主要给设备节点提供稳定+3V电压。
LoRaWAN是目前基于LoRa技术的主要网络层协议。传统的蜂窝网络信号由电信运营商提供，但蜂窝网络信号具有费效比低、功耗高、覆盖不足的缺点。LoRa联盟针对LoRa终端低功耗和网络设备兼容性的特性制订了标准化规范LoRaWAN[7]。目前LoRaWAN通信系统架构大多采用星状网架构，少数是在星状网架构基础上的简化和改进，网络构建主要有3种方式，分别是点对点通讯、星状网轮询、星状网并发。本无线网络系统采用星状网并发的网络架构。
在小学高年级的语文教学中，要通过长篇文章的学习锻炼学生阅读长篇文章的能力。学生要能分析出文章的主次，抓住重点，才能在较短的时间内理解文章，这就需要对文本进行细读。教师在教学中，应首先引导学生抓住文章的关键词、中心句，理解文章要表达的观点与思想；然后在对文章结构把握的基础上进行分段；接着对文章进行细读，分析出文章的主要内容和所要表达的中心思想。
如图4所示，余甘果果肉添加量分别为0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g时，经过10 h的作用后，乙醛的含量呈逐渐降低的趋势，与对照组（只含有乙醛和乙醛脱氢酶）相比，乙醛含量均有不同程度的降低，说明在乙醛脱氢酶和余甘果果肉的共同作用下乙醛降解。余甘果果肉添加量为1.5 g时，乙醛含量为14.67%，其转化率为56.70%。当果肉量继续增加到2.0 g时，乙醛含量变化不大，说明添加余甘果1.5 g/5 mL 40%乙醛（即0.3 g/mL 40%乙醛）时是最恰当的。
[24] Indian Navy, Freedom to Use the Sea: India’s Maritime Military Strategy, New Delhi: Integrated Headquarters, Ministry of Defense (Navy), 2007, p. 60.
3）历史记录：可供用户查询采集节点以往的温湿度、紫外线和光照强度。
番茄红素是天然的不含氧的类胡萝卜素，着色自然、安全性好、抗氧化性强。但纯品的番茄红素不稳定，限制了其使用，富含番茄红素的番茄酱、番茄汁、番茄粉及番茄皮渣等番茄制品比纯的番茄红素稳定，因此成为一种新型的亚硝酸盐替代物[7]。Eyiler等[8]研究用番茄粉部分代替亚硝酸盐生产法兰克福香肠，在4 ℃下储存60天，实验结果表明，加入番茄粉不仅能够使法兰克福香肠的pH降低，而且添加2 g/100 g的番茄粉能够延迟氧化反应，提高消费者的可接受性。
4）系统管理：设置系统参数，包括报警范围调整、权限管理等。
因为档案的类型具有多样性，不同结构的档案具有不同类型的特征信息，同时信息特征提取方式也有较大差异。笔者认为按照档案特征提取方式对档案进行分类则可以将档案划分为文本类档案和图片类档案两大类，其中音频类档案通过语音识别技术预处理之后特征提取方式同文本类档案，视频类档案通过拆帧处理之后特征提取方式同图片类档案。
4 系统测试与结果分析
对所设计的基于LoRa通信的微环境无线网络系统进行20×24h的软硬件测试。测试结果表明：
1）传感器节点可以可靠地采集博物馆展柜中温湿度、光照紫外线强度等信息，采集结果精度满足设计要求。
2）终端节点与网关之间、网关与服务器之间通信成功，无连接失败或传输错误等情况。
3）网络实时性满足要求，网络动态稳定性良好。
4）与传统的基于Zigbee通信的无线网络系统相比，相同条件下，终端可以运行更长的时间，具有低功耗的特性。
5 结论
本文所设计的基于LoRa通信的无线网络系统具有实时性好、可靠性高、精度高、功耗低的优点。能够实时监测博物馆环境中温湿度、光照强度和紫外线强度，根据所检测到的信息及时采取措施调整博物馆环境中各微环境参数使其符合标准，以防对文物造成损害。
参考文献：
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Wireless Network System of Museum Microenvironment Based on LoRa Communication
Zhang Hui1,2，Liu Zhen2，Zhang Yang1,2
（1. School of Instrument Science and Opto-Electronic, Hefei University of Technology, Hefei,230009, China；2. Institute of Intelligent Manufacturing Technology, Hefei University of Technology, Hefei,230009, China）
Abstract： In view of the shortcomings of the existing museum microenvironment wireless network system based on Zigbee communication, such as high power consumption and poor anti-jamming, this paper proposes a museum microenvironment wireless network system based on LoRa communication. The system collects information of temperature，humidity，ultraviolet ray and illumination intensity through the terminal, and the gateway relays the information to the server. The result shows that the system can play the role of real-time monitoring and early warning. It has the advantages of low power consumption, low bandwidth, low cost, long distance and large coverage capacity.
Key words： LoRa；museum microenvironment；wireless network system；low power consumption；remote
中图分类号： TH70
文献标志码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1671-1041.2019.04.001
文章编号： 1671-1041(2019)04-0001-04
收稿日期： 2019-01-18
基金项目： 安徽省科技成果转化及产业化重点项目（IMICZ2015004）。
作者简介： 张辉（1963-），男，江苏海门人，博士生导师，主要从事环境检测技术与系统的研究。
通讯作者： 刘真（1993-），女，山东烟台人，硕士研究生。
标签：lora论文; 博物馆微环境论文; 无线网络系统论文; 低功耗论文; 远距离论文; 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院论文; 合肥工业大学智能制造技术研究院论文;