基于LoRa通信的機房環境檢測控制模塊實現實時數據采集

丁月月，龍光利

（陜西理工大學物理與電信工程學院，陜西漢中 723001）

摘要：機房環境是保證網絡中心穩定、正常工作的重要因素，通過分析和研究機房的環境檢測原理和監控要求，設計了一種基于 LoRa 通信的機房檢測與控制系統，此系統由機房環境檢測模塊和遠端控制平臺構成。其中，機房環境檢測控制模塊實現實時數據采集并處理，然后根據預先設定的符合正常工作的閾值規則完成控制，同時將現場采集的數據發送給遠端控制平臺并接收來自遠端的管理指令。當實際工作中出現超閾值情況時，本地機房內的智能環境檢測模塊會通過 LoRa 網絡向遠端傳輸數據并發出報警，可提高機房工作的安全性保障和管理效率，有利于未來智能化機房改造的發展和應用。

關鍵詞：LoRa 技術；機房檢測；遠程控制；RS 485 ；UART ；Modbus

中圖分類號：TP39 ；TM914.4 文獻標識碼：A?

文章編號：2095-1302（2022）10-0028-02

0 引言

隨著物聯網通信技術的不斷發展，智能監控系統在各領域逐漸完善。LoRa 通信具有功耗低、傳輸距離長、抗干擾能力強等優勢，采用數字擴頻，通過數字信號處理和前向糾錯編碼等手段延長傳輸距離，并且當多個終端同時發送數據時相互之間不會產生影響 [1]。隨著信息化建設的快速發展，計算機系統網絡分布廣泛，計算機系統安全防控問題及日常管理工作變得更加繁重。設計并實現機房環境檢測和控制系統具有重大現實意義，通過系統對機房環境溫度、濕度和設備電流進行實時監控、調節、預警，當異常情況發生時，控制系統可以遠程控制繼電器動作切斷機房電源，防止意外發生。

1 機房環境要求

機房環境良好可保證網絡中心穩定工作。機房環境監測過程中需要控制的指標種類較多，主要包括溫度、濕度、火焰、漏水、供電等。在系統工作時，集成芯片是系統工作的核心元器件，而溫度的高低對集成芯片將產生影響，因此溫度對系統的穩定性至關重要。對于計算機電路板而言，靜電會對其產生重大甚至致命的影響，大大縮短計算機設備的使用壽命。若濕度過低，在相對干燥的環境中，極易產生靜電，因此控制機房環境濕度不可或缺。防漏水、防火、防盜在機房建設和管理中的重要性不言而喻。

2 系統總體設計

系統主要由機房環境檢測模塊和遠端控制平臺組成。其中，本地機房環境檢測模塊主要實現實時采集數據并處理，然后依據預先設定的，可滿足正常工作需求的閾值規則對機房環境參數進行控制管理。檢測模塊通過 LoRa 通信網絡將在機房中采集的環境參數發送給遠端控制平臺，之后接收來自遠端管理平臺的管理指令并完成自我控制 [2-3]。在系統中，多個環境檢測模塊與遠端控制平臺采用星型結構組網。系統總體框圖如圖 1 所示。

以 STM32F103C8T6 單片機作為檢測控制模塊主控制器，數據采集部分包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電流環傳感器等，傳輸部分使用 LoRa 通信網絡，遠端顯示則主要采用LED 顯示屏 [4-6]。主控制器主要電路包含單片機最小系統及其供電電路、復位電路、時鐘電路、內置電路。主控制器與各類傳感器間的通信通過與 RS 485 總線接口連接實現，主控制器可以根據每個傳感器在接入總線前各自配置的不同站點地址信息，讀取每個傳感器所采集的實時數據。主控制器通過I/O 端口實現對各檢測設備的獨立控制，以保證被控設備工作的準確性和實時性。在與遠端接收模塊實現數據交互時，通過主控制器的 UART 串口可與 LoRa 網絡傳輸模塊通信，并通過串口輸出顯示數據。檢測控制模塊原理框圖如圖 2 所示。

3 軟件設計

模塊軟件設計基于 C 語言開發，實現多線程管理。在程序初始化過程中，根據系統需要創建了 RS 485 傳感器數據采集、LoRa 收發數據、數據顯示、I/O 輸出控制、紅外發送等任務，并創建了相對應傳輸過程所需要的消息隊列，將系統創建的各任務與中斷服務子程序進行通信。程序初始化完成后，主進程將停止運行，等待中斷事件觸發與消息隊列監控，若系統運行過程中出現故障則重啟設備。主控程序流程如圖 3 所示。

RS 485 傳感器采集任務：將機房檢測模塊中的各傳感器連接至數據采集服務器的 RS 485 接口，并在此服務器中配置被采集數據的各傳感器協議棧。采集程序啟動，初始化程序，根據其 Modbus 地址，波特率和奇偶校驗等配制信息采集相關設備的檢測參數，并發送至遠端控制管理平臺。遠端控制管理平臺對其接收的數據信息進行分析處理，最終根據需求將經過奇偶校驗的數據信息推送到 LoRa 消息隊列和顯示消息隊列中。

LoRa 收發數據任務：讀取遠端管理平臺推送至 LoRa 消息隊列中的節點數據，將數據發送到 LoRa 通信模塊，并且讀取 LoRa 通信模塊接收的數據，將數據進行整理以及做相應的格式轉換，將經過處理的數據發送到相應的消息隊列中 [7]。

數據顯示任務：讀取所有消息隊列中的節點數據，將數據發送至遠端管理平臺的顯示屏，通過顯示屏將數據進行顯示以便觀察，并及時發現超閾值的異常數據。

I/O 端口控制任務：讀取 I/O 消息隊列中的節點數據，分析數據內容并根據機房環境參數狀況控制 I/O 引腳電平，控制動力設備的工作狀態。

紅外發送任務：讀取紅外消息隊列中的節點數據，根據紅外數據控制紅外發射管發送紅外編碼。

4 遠端接收管理平臺

由 USB-LoRa 多通道數據通信模塊與多個環境檢測模塊進行星型組網，構成遠端控制管理平臺服務器，實現多路數據的收發。其中，管理平臺可使用 C 語言開發，實現對位于本地機房的多個檢測控制模塊進行配置和管理 [8]，例如對檢測控制模塊的通信地址和數據進行加密配置，對各檢測控制模塊的 RS 485 接口傳感器的地址和數據查詢指令進行配置，實現遠端管理平臺的實時管理控制，實現根據預先配置的傳感器數據閾值進行環境檢測和實時報警等 [9-10]。

5 結語

基于 LoRa 通信的機房環境檢測和控制系統，可實現遠程監測和控制本地機房的環境要求，預先設定好適合機房正常工作的閾值，當實際工作中出現超閾值情況時，智能環境檢測模塊會通過 LoRa 網絡向遠端傳輸數據并發出報警。運行結果表明，該系統運行狀況良好，可靠度高，可提高機房工作的安全性保障和管理效率，有利于未來智能化機房改造的發展和應用。

注：本文通訊作者為龍光利。

參考文獻

[1] 葉方躍，鄭偉南 . 基于 LoRa 無線通信的數字開關量數據傳輸 [J].工業儀表與自動化裝置，2020，50（1）：102-105.

[2] 文淵博，牛澳，毛夏煜，等 . 基于 LoRa 的分布式火災監測報警系統的設計與實現 [J]. 物聯網技術，2020，10（8）：18-22.

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

[4] 王浩 . 基于 ESP32 平臺和 MQTT 協議的遠程控制系統設計 [J]. 軟件工程，2020，23（8）：38-41.

[5] 李建兵，王妍，聶山權 . 基于復合通信架構的環境監測與控制系統 [J]. 信息與通信工程，2019，20（5）：520-525.

[6] 鄺愛華 . 基于 STM32 的智能家居系統基本實現 [J]. 微型電腦應用，2019，35（4）：136-140.

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

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

[9] 張國梅 . 基于物聯網的實驗室信息管理系統 [J]. 物聯網技術，2021，11（4）：53-55.

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