一种基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，具体是涉及一种基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置。

背景技术：

在生活中，楼宇的安全问题总是人们重点关注的话题。像火灾、有毒气体泄漏的案例时有发生，有时因为没有及时的发现，从而造成了重大的生命财产损失。关于楼宇环境安全监测的方法的研究一直未曾间断，如早期的保安巡查法和视频监测法。而随着物联网技术的兴起与研究的深入，物联网技术在安全监测领域中的应用越来越多，如带有传感功能的RFID（射频识别）技术已经成功应用到楼宇安全监测领域。

然而，传统的保安巡查法存在着实时性差、人力成本高、可靠性差的不足；较先进的视频监测法难以做到无盲区，且易受光照影响；新兴的RFID技术一定程度的克服了以上问题，申请号为201510315515.5，公开号为104979618A 的《RFID标签》专利中的标签阅读距离只有11-13米，为了克服其传输距离短的缺点，往往需要布置大量昂贵的阅读器，不仅布置较为繁琐而且成本较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，满足通信距离远、功耗低、成本低、装置布置简单和监测实时有效的要求，提供一种基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置包括LoRa传感单元、采集器、上位机软件（计算机主机）和移动设备，LoRa传感单元和采集器连接，采集器分别与上位机软件和移动设备连接；所述LoRa传感单元被布置在被监测楼宇的每一楼层中（如楼层的楼梯、弱电井、配电房和办公室等地方），用于完成待测楼宇环境的数据信息的采集、缓存、预处理及传输，并将传感信息打包成第一数据包，传输至采集器；采集器用于接收和存储来自LoRa传感单元的数据，经过解调、数据删除、调制后，分为两种通信方式通讯，第一种将数据打包成第二数据包通过有线通信方式传给上位机软件，有线通信可为RS232和RS485；第二种将数据打包成第三数据包通过无线通信方式传给移动设备，无线通信可为GPRS和4G；所述上位机软件在计算机主机中运行，用于接收采集器发送来的第二数据包，提供楼宇安全环境监测的界面软件，同时提供第二数据包的交付接口，能够无缝的将第二数据包交付给计算机主机的其他分析平台（如Matlab、Labview等）进行后续的处理、分析和备份；所述移动设备用于接收采集器发送来的第三数据包，提供楼宇安全环境监测的界面软件，在楼宇环境安全监测装置的有效范围内，工作人员能够通过携带的移动设备查看楼宇环境数据资料。

进一步，所述LoRa传感单元和采集器采用基于线性扩频技术的无线通信方式通讯。所述采集器和上位机软件通过有线通信方式通讯，采集器和移动设备通过无线通信方式通讯。

进一步， 所述LoRa传感单元包括气压传感器、温湿度传感器、CO（一氧化碳）传感器、CO₂（二氧化碳）传感器、HCHO（甲醛）传感器、MCU（单片机）、LoRa模块和系统电源。气压传感器与MCU 连接；温湿度传感器与MCU连接；CO传感器与MCU连接；CO₂传感器与MCU连接；HCHO传感器与MCU连接；MCU与LoRa模块连接。系统电源分别和气压传感器、温湿度传感器、CO传感器、CO₂传感器、HCHO传感器、MCU以及LoRa模块连接。

所述气压传感器，通过IIC（Inter－Integrated Circuit：集成电路）总线和MCU 进行通信，将测得的气压数据传输给MCU，接收来自MCU的控制命令；

所述温湿度传感器，通过IIC总线和MCU进行通信，将测得的温度和湿度数据传输给MCU，接收来自MCU的控制命令；

所述CO传感器，用于将CO浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），所述模拟信号可便利地被MCU中内嵌的ADC模块采集；

所述CO₂传感器，用于将CO₂浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），所述模拟信号可便利地被MCU中内嵌的ADC模块采集；

所述HCHO传感器，用于将HCHO浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），所述模拟信号可便利地被MCU中内嵌的ADC模块采集；

所述MCU，为LoRa传感单元的控制部分，通过IIC总线完成所述气压传感器和温湿度传感器的配置，同时读取所述气压传感器和温湿度传感器的气压、温度和湿度信息；所述MCU启用内嵌ADC模块，完成对CO传感器、CO₂传感器以及HCHO传感器所转化出的模拟信号的采集；所述MCU将气压、温度、湿度以及CO、CO₂、HCHO浓度信息封装成原始传感数据包；所述MCU通过UART（通用异步收发传输器）和LoRa模块通讯，用于向LoRa模块交付原始传感数据包；

所述LoRa模块，用于接收来自MCU的原始传感数据包，并将所述原始传感数据包封装成第一数据包；所述LoRa模块采用了扩频调制和前向纠错技术。

所述系统电源，用于给气压传感器、温湿度传感器、CO传感器、CO₂传感器、HCHO传感器、MCU和LoRa模块供电。

本发明之基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置，通信距离远、功耗低、成本低、装置布置简单和监测实时有效，操作简单，能有效地满足楼宇环境安全监测的需求。

附图说明

图1 为本发明基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置的总体结构框图；

图2为图1所示基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置的LoRa传感单元的具体结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明之基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置包括LoRa传感单元U1、采集器U2、上位机软件U3（计算机主机U4）和移动设备U5；LoRa传感单元U1和采集器U2采用基于线性扩频技术的无线通信方式通讯；采集器U2与上位机软件U3通过有线通信方式通讯,采集器U2和移动设备U5通过无线通信方式通讯。

LoRa传感单元U1被布置在被监测楼宇的每一楼层的楼梯、弱电井、配电房和办公室等地方，用于完成待测楼宇环境的数据信息的采集、缓存、预处理及传输，并将传感信息打包成第一数据包，传输至采集器U2；本实施例中共设置有N（N≥1）个LoRa传感单元U1。

采集器U2用于接收和存储来自LoRa传感单元U1的数据，经过解调、数据删除、调制后，分为两种通信方式通讯，第一种是将数据打包成第二数据包通过有线通信方式传输给上位机软件U3，有线通信可为RS232和RS485；第二种是将数据打包成第三数据包通过无线通信方式传输给移动设备U5，无线通信可为GPRS和4G。

上位机软件U3在计算机主机U4中运行，用于接收采集器U2发送来的第二数据包，提供楼宇环境安全监测的界面软件，同时提供第二数据包的交付接口，能够无缝的将第二数据包交付给计算机主机U4的其他分析平台进行后续的处理、分析和备份。

移动设备U5用于接收采集器U2发送来的第三数据包，提供楼宇安全环境监测的界面软件，在楼宇安全监测装置的有效范围内，工作人员能够通过携带的移动设备查看楼宇环境数据资料。

参照图2，LoRa传感单元U1包括气压传感器U11、温湿度传感器U12、CO传感器U13、CO₂传感器U14、HCHO传感器U15、MCU U16、LoRa模块U17和系统电源U18。气压传感器U11与MCU U16连接；温湿度传感器U12与MCU U16连接；CO传感器U13与MCU U16连接；CO₂传感器U14与MCU U16连接；HCHO传感器U15与MCU U16连接；MCU U16与LORA模块U17连接。系统电源U18分别和气压传感器U11、温湿度传感器U12、CO传感器U13、CO₂传感器U14、HCHO传感器U15、MCU U16以及LoRa模块U17连接。

气压传感器U11，通过IIC总线和MCU U16进行通信，将测得的气压数据传输给MCU U16，接收来自MCU U16的控制命令；

温湿度传感器U12，通过IIC总线和MCU U16进行通信，将测得的温度和湿度数据传输给MCU U16，接收来自MCU U16的控制命令；

CO传感器U13，用于将CO浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被MCU U16中内嵌的ADC模块采集；

CO₂传感器U14，用于将CO₂浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被MCU U16中内嵌的ADC模块采集；

HCHO传感器U15，用于将HCHO浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被MCU U16中内嵌的ADC模块采集；

MCU U16，为LoRa传感单元U1的控制部分，通过IIC总线完成所述气压传感器和温湿度传感器的配置，同时读取所述气压传感器U11和温湿度传感器U12的气压、温度和湿度信息；MCU U16启用内嵌ADC模块，完成对CO传感器U13、CO₂传感器U14以及HCHO传感器U15所转化出的模拟信号的采集；MCU U16将气压、温度、湿度以及CO、CO₂、HCHO浓度信息封装成原始传感数据包；MCU U16通过UART和LoRa模块U17通讯，用于向LoRa模块U17交付原始传感数据包。

LoRa模块U17，用于接收来自MCU U16的原始传感数据包，并将所述原始传感数据包封装成第一数据包；LoRa模块U17采用了扩频调制和前向纠错技术。

系统电源U18，用于给气压传感器U11、温湿度传感器U12、CO传感器U13、CO₂传感器U14、HCHO传感器U15、MCU U16和LoRa模块U17供电。

本发明之基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置，电路规模小，硬件集成度高，成本低，便于布置，可用于楼宇环境安全的有效监测。

本发明之基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置，通信距离远且抗干扰能力强。本发明所述LoRa模块和所述采集器之间采用基于LoRa技术的通信方式通讯。所述LoRa模块中采用的射频芯片的接收灵敏度很高。如SMETECH公司的SX1278芯片，其接受灵敏度可高达-139dBm，一般的RFID标签的接受灵敏度通常在-20dBm左右。故本发明的通信距离相较RFID标签更远，且更能够从噪声中提取出有用信号。

本发明之基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置，所述LoRa传感单元功耗低。本发明中采用的传感器、MCU和LoRa模块都是基于低功耗的原则来配置的，如MCU可采用T1 MSP430FR5969，其工作电流可低至100μA/MHz,休眠电流可低至1μA/MHz。由于楼宇环境参数长时间较为稳定，本发明所述LoRa传感单元的唤醒时间远小于休眠时间，不失一般性地，长时间内唤醒时间约为休眠时间的0.5%，单次唤醒后所述MCU迅速完成所述环境参量的采集和传输，从而有效地降低了所述LoRa传感单元的功耗。

本发明之基于LoRa技术的楼宇环境安全监测装置，成本低、装置布置简单和监测实时有效。本发明中单个采集器能够通过星型结构管理多至400个LoRa传感单元，具有成本低、时延小的优点。本发明采用的无线通信方式减少了装置的布线成本，简化了装置的布线流程。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。