物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用 課件 項(xiàng)目四基于LoRa的廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

項(xiàng)目四基于LoRa的廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)01搭建LoRa的廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)任務(wù)一:搭建LoRa認(rèn)知及環(huán)境職業(yè)技能目標(biāo):任務(wù)需求:了解低功耗廣域技術(shù)和LoRa協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容。能夠搭建開發(fā)環(huán)境并完成程序的移植、配置、調(diào)試與下載。任務(wù)描述：城市的發(fā)展對工廠的生產(chǎn)環(huán)境提出了更高的要求，為了滿足這一要求，需要采集大型工廠不同區(qū)域的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對工廠環(huán)境的管控。任務(wù)需求：通過本任務(wù)了解低功耗廣域技術(shù)，并且能夠搭建開發(fā)環(huán)境，測試開發(fā)功能。低功耗廣域技術(shù)(LPWA)概述LPWA定義:實(shí)現(xiàn)低功耗下的遠(yuǎn)距離無線信號傳輸技術(shù)對比:BLE、ZigBee、Wi-Fi:短距離、高功耗LPWA:千米級傳輸，鏈路預(yù)算高達(dá)160dBm優(yōu)勢:低功耗、長壽命電池使用，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命應(yīng)用前景:適用于廣泛的物聯(lián)網(wǎng)部署，實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)短距離ZigBeeBluetoothWi-Fi長距離蜂窩移動通信技術(shù)低功耗廣域技術(shù)LPWA物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)LPWAN技術(shù)LPWAN概念:利用LPWA技術(shù)構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分類:非授權(quán)頻段技術(shù):LoRa:由Semtech公司提出，全球LoRa聯(lián)盟支持SigFox:法國SigFox公司提出，但在中國未應(yīng)用授權(quán)頻段技術(shù):NB-IoT:基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)eMTC(LTEEnhancedMTO):基于LTE的優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn):廣覆蓋、低功耗、低成本運(yùn)營維護(hù)支持高速率數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)多樣化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用Lora定義與特點(diǎn)Lora是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的長距離無線通信協(xié)議，具有低功耗、廣覆蓋、大連接等特性。Lora技術(shù)創(chuàng)建及推廣背景隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對于低功耗、長距離、大規(guī)模的無線通信需求日益增長，Lora技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到廣泛推廣。Lora主要運(yùn)行頻段Lora主要在非授權(quán)的Sub-GHz頻段運(yùn)行，如433MHz、863-870MHz等，這些頻段具有較好的傳播特性和較低的功耗。030201Lora技術(shù)簡介2013年8月，Semtech公司發(fā)布LoRa芯片，使用Sub-GHz頻段，具備超長距離和低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa芯片的接收靈敏度達(dá)到-148dBm，比業(yè)界其他同類產(chǎn)品高20dBm以上，極大提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。LoRa芯片使用線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既保持低功耗特性，又增加通信距離，增強(qiáng)抗干擾性能。LoRa網(wǎng)絡(luò)中的集中器或網(wǎng)關(guān)可并行接收并處理多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)容量大大提高。LoRa的技術(shù)背景LoRa芯片發(fā)布接收靈敏度線性擴(kuò)頻調(diào)制并行處理傳輸距離遠(yuǎn)LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在市區(qū)城鎮(zhèn)內(nèi)可達(dá)2km～5km，在郊區(qū)可達(dá)15km及以上。傳輸速率低LoRa技術(shù)的傳輸速率較低，數(shù)千比特/秒到數(shù)萬比特/秒，適用于低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景。工作頻段免授權(quán)LoRa技術(shù)工作在免授權(quán)的ISM頻段，無需申請頻率使用權(quán)，方便快捷。成本低LoRa網(wǎng)關(guān)價(jià)格低，企業(yè)可自行組網(wǎng)，降低了運(yùn)營成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。低功耗LoRa技術(shù)的功耗較低，電池壽命可達(dá)10年，降低了設(shè)備運(yùn)營成本，提高了設(shè)備的使用壽命。容量大LoRa網(wǎng)關(guān)可連接上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備海量連接的需求，提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋和穩(wěn)定性。LoRa的技術(shù)特點(diǎn)010402050306適合的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用智慧農(nóng)業(yè)智慧城市智慧消防研發(fā)LoRa模塊的企業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域LoRa的技術(shù)特點(diǎn)決定了其適合部署在傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低及容量大的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，可滿足定位跟蹤的應(yīng)用需求。LoRa可應(yīng)用于智慧城市、智慧消防、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧油田等領(lǐng)域，我國已開展了LoRa網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有多家企業(yè)已開展了LoRa模塊的研發(fā)工作，如AUGTEK、普天通達(dá)、銳捷網(wǎng)絡(luò)等。利用LoRa技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度、溫度、光照等環(huán)境因素，以及動植物的生長情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖和灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。通過部署LoRa網(wǎng)絡(luò)，可以有效地解決城市管理中的問題，如人工抄表、井蓋監(jiān)控和垃圾桶管理，提高城市管理的效率和安全性。通過部署智能、無線、獨(dú)立式煙感探測器等設(shè)備，監(jiān)測異常情況并上報(bào)數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，解決消防安全監(jiān)控盲點(diǎn)問題。LoRa的應(yīng)用場景02任務(wù)實(shí)施硬件選型LoRa終端節(jié)點(diǎn)架構(gòu)LoRa終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器數(shù)據(jù)上傳至LoRa網(wǎng)關(guān)，由傳感器模塊、微處理器模塊、LoRa射頻模塊和電源模塊構(gòu)成。微處理器模塊選型微控制器性能對比微處理器需要能運(yùn)行LoRaWAN協(xié)議棧，并且具有低功耗、大容量、碰撞處理合理和數(shù)據(jù)使用安全等優(yōu)點(diǎn)。通過對比S78S、STM32L152RET6和ATMEGA328P，最終選取了搭載ATMEGA328P的Arduino開發(fā)板。硬件選型電源模塊ArduinoUNO的電源模塊可以通過計(jì)算機(jī)的USB接口或直流電源座供電，使用UARTTTL（5V）串行通信與計(jì)算機(jī)通信。LoRa射頻模塊選型DraginoLoRaShield是一個(gè)支持無線LoRa協(xié)議的、用于Arduino的擴(kuò)展板，可以作為LoRa射頻模塊的選擇之一。ArduinoUNO模塊ArduinoUNO是搭載ATMEGA328P微處理器的Arduino開發(fā)板，有14個(gè)輸入/輸出引腳、6個(gè)模擬輸入引腳、16MHz晶體濾波器等。030201下載ArduinoIDE選擇BoardsManager添加DraginoBoards信息選擇LoRa模塊添加URL安裝ArduinoIDE從Arduino官方網(wǎng)站下載最新版本的ArduinoIDE，雙擊安裝程序進(jìn)行安裝。打開ArduinoIDE，選擇“File”→“Preferences”選項(xiàng)，彈出“Preferences”對話框。在“AdditionalBoardsManagerURLs”文本框中添加URL，單擊“OK”按鈕確認(rèn)。選擇“Tools”→“Boards”→“BoardsManager”選項(xiàng)，彈出“BoardsManager”對話框。在“BoardsManager”對話框中，添加DraginoBoards信息。在ArduinoIDE中添加DraginoBoards信息后，可以看到來自IDEBoard的信息。對于LoRa模塊，應(yīng)該選擇“ArduinoUno-DraginoYun”選項(xiàng)。開發(fā)環(huán)境的搭建——ArduinoIDE庫文件引入程序中定義了一個(gè)RH_RF95對象rf95，用于控制RF95無線通信模塊。還定義了一個(gè)浮點(diǎn)型變量frequency，用于設(shè)置通信頻率。定義變量定義宏程序通過#define指令定義了BAUDRATE宏，用于設(shè)置串口通信波特率。如果使用DraginoYun網(wǎng)絡(luò)固件，可以取消注釋第15行代碼，將BAUDRATE設(shè)置為250000。程序開始部分通過include指令引入所需的庫文件，如<OneWire.h>、<SPI.h>、<RH_RF95.h>和<Console.h>。實(shí)驗(yàn)核心代碼講解初始化設(shè)置在setup()函數(shù)中，程序首先調(diào)用Bridge.begin()初始化串口通信，然后調(diào)用Console.begin()啟動控制臺輸出。初始化rf95如果rf95初始化失敗，Console.println("initfailed")將打印錯(cuò)誤消息。成功初始化后，設(shè)置發(fā)射功率為20dBm，工作頻率為868MHz。主循環(huán)函數(shù)在loop()函數(shù)中，程序?qū)⒉粩嘌h(huán)執(zhí)行各種操作，如讀取溫度、濕度等傳感器數(shù)據(jù)，并通過串口或無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)或其它設(shè)備。實(shí)驗(yàn)核心代碼講解010203終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)終端節(jié)點(diǎn)通常是各類傳感器，用于數(shù)據(jù)采集、開關(guān)控制等。網(wǎng)關(guān)是LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中的重要實(shí)體，負(fù)責(zé)收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行封裝、轉(zhuǎn)發(fā)。LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)上、下行數(shù)據(jù)包的完整性校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)OTAA設(shè)備的入網(wǎng)激活及應(yīng)用數(shù)據(jù)的加密和解密，提供API供用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。03LoRa與云服務(wù)器通信硬件實(shí)現(xiàn)任務(wù)二:LoRa與云服務(wù)器通信硬件實(shí)現(xiàn)職業(yè)技能目標(biāo):任務(wù)需求:了解HTTP、RESTfulAPI、MQTT協(xié)議。能夠通過源代碼在HTTP中調(diào)用RESTfulAPI。能夠通過MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。任務(wù)描述：任務(wù)一實(shí)現(xiàn)了場景搭建，本任務(wù)對需要采集的溫濕度及光照度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、發(fā)送和控制。任務(wù)需求：基于Arduino開發(fā)板采集傳感器數(shù)據(jù)，通過源代碼在HTTP中調(diào)用RESTfulAPI，以實(shí)現(xiàn)通過MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。前端與后端分離RESTful規(guī)范RESTfulAPI作為中間接口可以實(shí)現(xiàn)不同開發(fā)語言、微處理器、架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。多種語言協(xié)同后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，前端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)渲染和呈現(xiàn)，調(diào)用指定API獲取數(shù)據(jù)并展示，呈現(xiàn)動態(tài)過程。RESTfulAPI使用HTTP請求GET、PUT、POST、DELETE數(shù)據(jù)，用于傳感器與上行平臺通信，后面的設(shè)計(jì)通過RESTfulAPI與云服務(wù)器通信，上傳或下載數(shù)據(jù)，適用于智能設(shè)備移動端。HTTP與RESTfulAPI下位機(jī)通信協(xié)議JSON格式數(shù)據(jù)MQTT協(xié)議運(yùn)行環(huán)境MQTT協(xié)議優(yōu)勢下位機(jī)使用MQTT協(xié)議和JSON格式與上位機(jī)通信，MQTT是為硬件性能低、網(wǎng)絡(luò)條件差的遠(yuǎn)程設(shè)備設(shè)計(jì)的發(fā)布/訂閱消息協(xié)議。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，便于解析和生成，使用sprintf函數(shù)上傳JSON格式的數(shù)據(jù)，使用MQTT_PUBLISH函數(shù)為發(fā)布的信息添加主題。MQTT協(xié)議運(yùn)行在TCP/IP或WebSocket協(xié)議上，并可使用SSL保護(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，LoRa終端節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)發(fā)布者，云服務(wù)器為數(shù)據(jù)訂閱者。MQTT協(xié)議具有低開銷、低功耗、適應(yīng)頻繁網(wǎng)絡(luò)中斷等特點(diǎn)，可以顯著降低網(wǎng)絡(luò)成本，并節(jié)約功耗。MQTT協(xié)議選擇云服務(wù)器云服務(wù)器具有簡單、高效、安全、可靠的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)線下服務(wù)器，在成本和可擴(kuò)展性上具有明顯優(yōu)勢。如果需要增加服務(wù)器配置，云服務(wù)器可以按需擴(kuò)展和升級，而傳統(tǒng)的物理服務(wù)器只能重新購買，成本很高。本任務(wù)使用的云服務(wù)器為樂為物聯(lián)云服務(wù)器，它是一個(gè)迅速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的平臺，用戶可以在該平臺上存儲、查詢和分析數(shù)據(jù)，還可以創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備控制器和增加一個(gè)傳感器并輸入信息。導(dǎo)入DHT庫在ArduinoIDE中添加DHT庫（dht.h），源代碼基本為Arduino官網(wǎng)提供的開源頭文件。設(shè)置最大超時(shí)時(shí)間為100s，而且DHTLIB_TIMEOUT的循環(huán)至少需要使用4個(gè)時(shí)鐘周期，因此最多要執(zhí)行400個(gè)循環(huán)導(dǎo)入頭文件DHT庫在HTTP中調(diào)用RESTfulAPI首先將LoRa終端節(jié)點(diǎn)的ArduinoUNO與光照度傳感器Risym、溫濕度傳感器DHT11連接，編寫的程序包括LoRa終端節(jié)點(diǎn)從ArduinoUNO讀取傳感器數(shù)據(jù)，并打包發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)的MCU（微控制單元）部分，LoRa網(wǎng)關(guān)部分獲取傳感器數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的內(nèi)置Linux端。隨后，LoRa網(wǎng)關(guān)中的Linux部分將傳感器數(shù)據(jù)以RESTfulAPI格式發(fā)送至云服務(wù)器。LoRa終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)LoRa終端節(jié)點(diǎn)的傳輸流程如下圖所示。該流程圖充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)的思路，將溫濕度、光照度傳感器檢測和采集到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并發(fā)送至LoRa網(wǎng)關(guān)。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸流程如圖4-2-3所示。該流程圖展示的是LoRa網(wǎng)關(guān)中的Linux部分將傳感器數(shù)據(jù)以RESTfulAPI格式發(fā)送至云服務(wù)器并向終端節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的基本流程。通過MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)

基本流程為LoRa終端節(jié)點(diǎn)的Arduino開發(fā)板從傳感器接收數(shù)據(jù)并利用LoRa技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至LoRa網(wǎng)關(guān)。為使網(wǎng)關(guān)的內(nèi)置Linux部分可以分析環(huán)境數(shù)據(jù)，LoRa網(wǎng)關(guān)的單片機(jī)和無線射頻模塊將從終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過Bridge庫發(fā)送至Linux部分。Linux部分對發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過后將數(shù)據(jù)封裝為JSON格式，并通過MQTT協(xié)議發(fā)送至樂為物聯(lián)云服務(wù)器，至此便完成了數(shù)據(jù)的上傳。04LoRa與云服務(wù)器通信任務(wù)三:LoRa與云服務(wù)器通信職業(yè)技能目標(biāo):任務(wù)需求:了解云服務(wù)器及其相關(guān)配置。能夠通過云端配置實(shí)現(xiàn)LoRa與云服務(wù)器通信。任務(wù)描述：將某工廠采集的數(shù)據(jù)匯聚到云服務(wù)器上，并能通過云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)環(huán)境管理。任務(wù)需求：根據(jù)任務(wù)二中的Arduino硬件搭建，通過LoRa與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，測試預(yù)警提示，實(shí)現(xiàn)智能化管控。硬件部分的準(zhǔn)備首先進(jìn)行硬件配置，LoRa終端節(jié)點(diǎn)將從溫濕度傳感器DHT11和光照度傳感器Risym獲取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將通過LoRa終端節(jié)點(diǎn)無線傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)。LoRa終端節(jié)點(diǎn)如圖所示。LoRa終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)的配置LoRa網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)通過DHCP獲取IP地址。修改RX頻率和測試互聯(lián)網(wǎng)接入如圖4-3-4所示。云服務(wù)器的配置首先，設(shè)定LoRa網(wǎng)關(guān)的頻率與終端節(jié)點(diǎn)的LoRaShield頻率相同，均為433MHz；然后，登錄SSH控制臺來連接LoRa網(wǎng)關(guān)的Linux端，檢查ping通結(jié)果。云服務(wù)器的設(shè)備配置如圖所示。通過HTTP接入云服務(wù)器通過HTTP接入云服務(wù)器的整