基于LoRa通信的机房环境检测控制模块实现实时数据采集
丁月月，龙光利
（陕西理工大学 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001）
摘 要 ：机房环境是保证网络中心稳定、正常工作的重要因素，通过分析和研究机房的环境检测原理和监控要求，设计了一种基于 lora 通信的机房检测与控制系统，此系统由机房环境检测模块和远端控制平台构成。其中，机房环境检测控制模块实现实时数据采集并处理，然后根据预先设定的符合正常工作的阈值规则完成控制，同时将现场采集的数据发送给远端控制平台并接收来自远端的管理指令。当实际工作中出现超阈值情况时，本地机房内的智能环境检测模块会通过 lora 网络向远端传输数据并发出报警，可提高机房工作的安全性保障和管理效率，有利于未来智能化机房改造的发展和应用。
关键词 ：lora 技术 ；机房检测 ；远程控制 ；rs 485 ；uart ；modbus
中图分类号 ：tp39 ；tm914.4 文献标识码 ：a
文章编号 ：2095-1302（2022）10-0028-02
0 引 言
随着物联网通信技术的不断发展，智能监控系统在各领域逐渐完善。lora 通信具有功耗低、传输距离长、抗干扰能力强等优势，采用数字扩频，通过数字信号处理和前向纠错编码等手段延长传输距离，并且当多个终端同时发送数据时相互之间不会产生影响 [1]。随着信息化建设的快速发展，计算机系统网络分布广泛，计算机系统安全防控问题及日常管理工作变得更加繁重。设计并实现机房环境检测和控制系统具有重大现实意义，通过系统对机房环境温度、湿度和设备电流进行实时监控、调节、预警，当异常情况发生时，控制系统可以远程控制继电器动作切断机房电源，防止意外发生。
1 机房环境要求
机房环境良好可保证网络中心稳定工作。机房环境监测过程中需要控制的指标种类较多，主要包括温度、湿度、火焰、漏水、供电等。在系统工作时，集成芯片是系统工作的核心元器件，而温度的高低对集成芯片将产生影响，因此温度对系统的稳定性至关重要。对于计算机电路板而言，静电会对其产生重大甚至致命的影响，大大缩短计算机设备的使用寿命。若湿度过低，在相对干燥的环境中，极易产生静电，因此控制机房环境湿度不可或缺。防漏水、防火、防盗在机房建设和管理中的重要性不言而喻。
2 系统总体设计
系统主要由机房环境检测模块和远端控制平台组成。其中，本地机房环境检测模块主要实现实时采集数据并处理，然后依据预先设定的，可满足正常工作需求的阈值规则对机房环境参数进行控制管理。检测模块通过 lora 通信网络将在机房中采集的环境参数发送给远端控制平台，之后接收来自远端管理平台的管理指令并完成自我控制 [2-3]。在系统中，多个环境检测模块与远端控制平台采用星型结构组网。系统总体框图如图 1 所示。
以 stm32f103c8t6 单片机作为检测控制模块主控制器，数据采集部分包括温湿度传感器、烟雾传感器、电流环传感器等，传输部分使用 lora 通信网络，远端显示则主要采用led 显示屏 [4-6]。主控制器主要电路包含单片机最小系统及其供电电路、复位电路、时钟电路、内置电路。主控制器与各类传感器间的通信通过与 rs 485 总线接口连接实现，主控制器可以根据每个传感器在接入总线前各自配置的不同站点地址信息，读取每个传感器所采集的实时数据。主控制器通过i/o 端口实现对各检测设备的独立控制，以保证被控设备工作的准确性和实时性。在与远端接收模块实现数据交互时，通过主控制器的 uart 串口可与 lora 网络传输模块通信，并通过串口输出显示数据。检测控制模块原理框图如图 2 所示。
3 软件设计
模块软件设计基于 c 语言开发，实现多线程管理。在程序初始化过程中，根据系统需要创建了 rs 485 传感器数据采集、lora 收发数据、数据显示、i/o 输出控制、红外发送等任务，并创建了相对应传输过程所需要的消息队列，将系统创建的各任务与中断服务子程序进行通信。程序初始化完成后，主进程将停止运行，等待中断事件触发与消息队列监控，若系统运行过程中出现故障则重启设备。主控程序流程如图 3 所示。
rs 485 传感器采集任务 ：将机房检测模块中的各传感器连接至数据采集服务器的 rs 485 接口，并在此服务器中配置被采集数据的各传感器协议栈。采集程序启动，初始化程序，根据其 modbus 地址，波特率和奇偶校验等配制信息采集相关设备的检测参数，并发送至远端控制管理平台。远端控制管理平台对其接收的数据信息进行分析处理，最终根据需求将经过奇偶校验的数据信息推送到 lora 消息队列和显示消息队列中。
lora 收发数据任务 ：读取远端管理平台推送至 lora 消息队列中的节点数据，将数据发送到 lora 通信模块，并且读取 lora 通信模块接收的数据，将数据进行整理以及做相应的格式转换，将经过处理的数据发送到相应的消息队列中 [7]。
数据显示任务 ：读取所有消息队列中的节点数据，将数据发送至远端管理平台的显示屏，通过显示屏将数据进行显示以便观察，并及时发现超阈值的异常数据。
i/o 端口控制任务 ：读取 i/o 消息队列中的节点数据，分析数据内容并根据机房环境参数状况控制 i/o 引脚电平，控制动力设备的工作状态。
红外发送任务 ：读取红外消息队列中的节点数据，根据红外数据控制红外发射管发送红外编码。
4 远端接收管理平台
由 usb-lora 多通道数据通信模块与多个环境检测模块进行星型组网，构成远端控制管理平台服务器，实现多路数据的收发。其中，管理平台可使用 c 语言开发，实现对位于本地机房的多个检测控制模块进行配置和管理 [8]，例如对检测控制模块的通信地址和数据进行加密配置，对各检测控制模块的 rs 485 接口传感器的地址和数据查询指令进行配置，实现远端管理平台的实时管理控制，实现根据预先配置的传感器数据阈值进行环境检测和实时报警等 [9-10]。
5 结 语
基于 lora 通信的机房环境检测和控制系统，可实现远程监测和控制本地机房的环境要求，预先设定好适合机房正常工作的阈值，当实际工作中出现超阈值情况时，智能环境检测模块会通过 lora 网络向远端传输数据并发出报警。运行结果表明，该系统运行状况良好，可靠度高，可提高机房工作的安全性保障和管理效率，有利于未来智能化机房改造的发展和应用。
注：本文通讯作者为龙光利。
参考文献
[1] 叶方跃，郑伟南 . 基于 lora 无线通信的数字开关量数据传输 [j].工业仪表与自动化装置，2020，50（1）：102-105.
[2] 文渊博，牛澳，毛夏煜，等 . 基于 lora 的分布式火灾监测报警系统的设计与实现 [j]. 物联网技术，2020，10（8）：18-22.
[3] 王基策，李意莲，贾岩，等 . 智能家居安全综述 [j]. 计算机研究与发展，2018，55（10）：2111-2124.
[4] 王浩 . 基于 esp32 平台和 mqtt 协议的远程控制系统设计 [j]. 软件工程，2020，23（8）：38-41.
[5] 李建兵，王妍，聂山权 . 基于复合通信架构的环境监测与控制系统 [j]. 信息与通信工程，2019，20（5）：520-525.
[6] 邝爱华 . 基于 stm32 的智能家居系统基本实现 [j]. 微型电脑应用，2019，35（4）：136-140.
[7] 葛世伟，高平，潘传佑 . 基于泛在电力物联网 lora 通信技术的研究 [j]. 物联网技术，2020，10（6）：33-35.
[8] 张培艳，牟丹，成锴 . 无线基站电磁辐射研究 [j]. 卫星电视与宽带多媒体，2020，17（13）：131-132.
[9] 张国梅 . 基于物联网的实验室信息管理系统 [j]. 物联网技术，2021，11（4）：53-55.
[10] 聂壮壮，李伟恒，冯海杰，等 . 基于物联网的智能垃圾桶 [j]. 物联网技术，2021，11（3）：62-63.
作者简介：
丁月月（2000—），女，陕西凤翔人，本科。
龙光利（1968—），陕西南郑人，教授，研究方向为无线通信、物联网与电子技术应用。
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（陕西理工大学 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001）
摘 要 ：机房环境是保证网络中心稳定、正常工作的重要因素，通过分析和研究机房的环境检测原理和监控要求，设计了一种基于 lora 通信的机房检测与控制系统，此系统由机房环境检测模块和远端控制平台构成。其中，机房环境检测控制模块实现实时数据采集并处理，然后根据预先设定的符合正常工作的阈值规则完成控制，同时将现场采集的数据发送给远端控制平台并接收来自远端的管理指令。当实际工作中出现超阈值情况时，本地机房内的智能环境检测模块会通过 lora 网络向远端传输数据并发出报警，可提高机房工作的安全性保障和管理效率，有利于未来智能化机房改造的发展和应用。
关键词 ：lora 技术 ；机房检测 ；远程控制 ；rs 485 ；uart ；modbus
中图分类号 ：tp39 ；tm914.4 文献标识码 ：a
文章编号 ：2095-1302（2022）10-0028-02
0 引 言
随着物联网通信技术的不断发展，智能监控系统在各领域逐渐完善。lora 通信具有功耗低、传输距离长、抗干扰能力强等优势，采用数字扩频，通过数字信号处理和前向纠错编码等手段延长传输距离，并且当多个终端同时发送数据时相互之间不会产生影响 [1]。随着信息化建设的快速发展，计算机系统网络分布广泛，计算机系统安全防控问题及日常管理工作变得更加繁重。设计并实现机房环境检测和控制系统具有重大现实意义，通过系统对机房环境温度、湿度和设备电流进行实时监控、调节、预警，当异常情况发生时，控制系统可以远程控制继电器动作切断机房电源，防止意外发生。
1 机房环境要求
机房环境良好可保证网络中心稳定工作。机房环境监测过程中需要控制的指标种类较多，主要包括温度、湿度、火焰、漏水、供电等。在系统工作时，集成芯片是系统工作的核心元器件，而温度的高低对集成芯片将产生影响，因此温度对系统的稳定性至关重要。对于计算机电路板而言，静电会对其产生重大甚至致命的影响，大大缩短计算机设备的使用寿命。若湿度过低，在相对干燥的环境中，极易产生静电，因此控制机房环境湿度不可或缺。防漏水、防火、防盗在机房建设和管理中的重要性不言而喻。
2 系统总体设计
系统主要由机房环境检测模块和远端控制平台组成。其中，本地机房环境检测模块主要实现实时采集数据并处理，然后依据预先设定的，可满足正常工作需求的阈值规则对机房环境参数进行控制管理。检测模块通过 lora 通信网络将在机房中采集的环境参数发送给远端控制平台，之后接收来自远端管理平台的管理指令并完成自我控制 [2-3]。在系统中，多个环境检测模块与远端控制平台采用星型结构组网。系统总体框图如图 1 所示。
以 stm32f103c8t6 单片机作为检测控制模块主控制器，数据采集部分包括温湿度传感器、烟雾传感器、电流环传感器等，传输部分使用 lora 通信网络，远端显示则主要采用led 显示屏 [4-6]。主控制器主要电路包含单片机最小系统及其供电电路、复位电路、时钟电路、内置电路。主控制器与各类传感器间的通信通过与 rs 485 总线接口连接实现，主控制器可以根据每个传感器在接入总线前各自配置的不同站点地址信息，读取每个传感器所采集的实时数据。主控制器通过i/o 端口实现对各检测设备的独立控制，以保证被控设备工作的准确性和实时性。在与远端接收模块实现数据交互时，通过主控制器的 uart 串口可与 lora 网络传输模块通信，并通过串口输出显示数据。检测控制模块原理框图如图 2 所示。
3 软件设计
模块软件设计基于 c 语言开发，实现多线程管理。在程序初始化过程中，根据系统需要创建了 rs 485 传感器数据采集、lora 收发数据、数据显示、i/o 输出控制、红外发送等任务，并创建了相对应传输过程所需要的消息队列，将系统创建的各任务与中断服务子程序进行通信。程序初始化完成后，主进程将停止运行，等待中断事件触发与消息队列监控，若系统运行过程中出现故障则重启设备。主控程序流程如图 3 所示。
rs 485 传感器采集任务 ：将机房检测模块中的各传感器连接至数据采集服务器的 rs 485 接口，并在此服务器中配置被采集数据的各传感器协议栈。采集程序启动，初始化程序，根据其 modbus 地址，波特率和奇偶校验等配制信息采集相关设备的检测参数，并发送至远端控制管理平台。远端控制管理平台对其接收的数据信息进行分析处理，最终根据需求将经过奇偶校验的数据信息推送到 lora 消息队列和显示消息队列中。
lora 收发数据任务 ：读取远端管理平台推送至 lora 消息队列中的节点数据，将数据发送到 lora 通信模块，并且读取 lora 通信模块接收的数据，将数据进行整理以及做相应的格式转换，将经过处理的数据发送到相应的消息队列中 [7]。
数据显示任务 ：读取所有消息队列中的节点数据，将数据发送至远端管理平台的显示屏，通过显示屏将数据进行显示以便观察，并及时发现超阈值的异常数据。
i/o 端口控制任务 ：读取 i/o 消息队列中的节点数据，分析数据内容并根据机房环境参数状况控制 i/o 引脚电平，控制动力设备的工作状态。
红外发送任务 ：读取红外消息队列中的节点数据，根据红外数据控制红外发射管发送红外编码。
4 远端接收管理平台
由 usb-lora 多通道数据通信模块与多个环境检测模块进行星型组网，构成远端控制管理平台服务器，实现多路数据的收发。其中，管理平台可使用 c 语言开发，实现对位于本地机房的多个检测控制模块进行配置和管理 [8]，例如对检测控制模块的通信地址和数据进行加密配置，对各检测控制模块的 rs 485 接口传感器的地址和数据查询指令进行配置，实现远端管理平台的实时管理控制，实现根据预先配置的传感器数据阈值进行环境检测和实时报警等 [9-10]。
5 结 语
基于 lora 通信的机房环境检测和控制系统，可实现远程监测和控制本地机房的环境要求，预先设定好适合机房正常工作的阈值，当实际工作中出现超阈值情况时，智能环境检测模块会通过 lora 网络向远端传输数据并发出报警。运行结果表明，该系统运行状况良好，可靠度高，可提高机房工作的安全性保障和管理效率，有利于未来智能化机房改造的发展和应用。
注：本文通讯作者为龙光利。
参考文献
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[9] 张国梅 . 基于物联网的实验室信息管理系统 [j]. 物联网技术，2021，11（4）：53-55.
[10] 聂壮壮，李伟恒，冯海杰，等 . 基于物联网的智能垃圾桶 [j]. 物联网技术，2021，11（3）：62-63.
作者简介：
丁月月（2000—），女，陕西凤翔人，本科。
龙光利（1968—），陕西南郑人，教授，研究方向为无线通信、物联网与电子技术应用。
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