引 言

隨著計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)也日趨成熟，目前的主流是 NB-IoT 和 LoRa。NB-IoT 由電信運營商通過商用頻點建設(shè)基站進行大規(guī)模部署，LoRa 是一種低功耗、傳輸距離長、抗干擾能力強的無線通信技術(shù)， 它通過數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼等手段，實現(xiàn)了類似頻移鍵控調(diào)制的低功耗特性，又顯著延長了傳輸距離，即使多個終端使用相同的頻率同時發(fā)送數(shù)據(jù)，只要擴頻序列不同它們便不會相互干擾，同時 LoRa 還可以通過免費自由頻段自行組網(wǎng)。

為實現(xiàn)對機房環(huán)境的實時監(jiān)測與控制，本文采用 ESP32 單片機、溫濕度傳感器、串口顯示屏、電流環(huán)傳感器、繼電器、LoRa 通信模塊、紅外發(fā)射模塊組建系統(tǒng)。主要實現(xiàn)了環(huán)境溫度、設(shè)備電流的實時采集、顯示與數(shù)據(jù)實時回傳等功能，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境溫度自動開啟和關(guān)閉空調(diào)設(shè)備，在異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)能控制繼電器動作切斷動力設(shè)備電源，防止意外發(fā)生 [1-3]。

系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由本地機房監(jiān)測控制模塊和遠端接收管理平臺構(gòu)成。其中機房監(jiān)測控制模塊實時采集數(shù)據(jù)并處理，之后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則完成自我控制，同時將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠端接收管理平臺并接收遠端發(fā)送的管理指令，多個監(jiān)測控制模塊與遠端接收管理平臺采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng) [4]。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)總體框圖

監(jiān)測控制模塊設(shè)計

模塊硬件設(shè)計

采用模塊化設(shè)計思想，監(jiān)測控制模塊主要由主控制器、采集部分、控制部分、傳輸部分與顯示部分組成。主控制器是檢測控制模塊的核心，采用 ESP32 單片機管理控制，該單片機采用 40 nm 工藝設(shè)計，具有雙核 32 位 CPU，主頻達230 MHz， 集成了 2.4 GHz 雙模 WiFi 和藍牙， 可提供 I2C、SPI 和 UART 等接口，負責協(xié)調(diào)模塊的運行管理與控制。主控制器通過 RS 485 總線接口與各類傳感器通信交互，各傳感器在接入總線前需配置不同的站點地址，主控制器根據(jù)不同的站點地址輪詢每個傳感器采集數(shù)據(jù)。主控制器采用 I/O 口對被控設(shè)備進行獨立控制，保障控制的可靠性與實時性。主控制器通過 UART 串口與 LoRa 模塊通信，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。主控制器通過串口輸出顯示數(shù)據(jù) [5-6]。硬件設(shè)計原理如圖 2 所示。

模塊軟件設(shè)計

模塊軟件使用 C 語言開 發(fā)， 主控程序運行基于FreeRTOS操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)多線程管理。程序初始化過程中，主線程創(chuàng)建了 RS 485 傳感器采集任務(wù)、LoRa 收發(fā)數(shù)據(jù)任務(wù)、顯示輸出任務(wù)、I/O 輸出控制任務(wù)、紅外發(fā)送任務(wù)和看門狗監(jiān)控任務(wù)，依賴 RTOS 系統(tǒng)功能創(chuàng)建 FIFO 消息隊列、LoRa 消息隊列、顯示消息隊列、I/O 消息隊列和紅外消息隊列， 實現(xiàn)各任務(wù)與中斷服務(wù)子程序的通信。初始化完成后，主進程進入休眠狀態(tài)，等待中斷事件觸發(fā)與消息隊列監(jiān)控，發(fā)生異常時重啟設(shè)備。主控制器程序流程如圖3 所示。

圖 2 硬件設(shè)計原理

圖 3 主控制器程序流程

RS485傳感器采集任務(wù) ：讀取傳感器配置信息，獲得傳感器采集地址與采集指令。RS485傳感器采用 Modbus通信協(xié)議，主控端根據(jù)配置循環(huán)向總線站點各傳感器地址發(fā)送查詢指令并接收返回的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行校驗解碼后將數(shù)據(jù)推送到 LoRa消息隊列和顯示消息隊列中。

LoRa收發(fā)數(shù)據(jù)任務(wù) ：讀取 LoRa消息隊列中的節(jié)點數(shù)據(jù)， 發(fā)送數(shù)據(jù)到LoRa通信模塊 ；讀取LoRa通信模塊接收的數(shù)據(jù)， 根據(jù)接收的內(nèi)容進行數(shù)據(jù)處理與格式轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)功能將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的消息隊列中。

顯示輸出任務(wù) ：讀取顯示消息隊列中的節(jié)點數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到顯示屏。

I/O 控制任務(wù) ：讀取 I/O 消息隊列中的節(jié)點數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容控制 I/O 引腳的電平，實現(xiàn)設(shè)備控制。

紅外發(fā)送任務(wù) ：讀取紅外消息隊列中的節(jié)點數(shù)據(jù)，根據(jù)紅外數(shù)據(jù)控制紅外發(fā)射管發(fā)送紅外編碼。

看門狗監(jiān)控任務(wù) ：周期性地向看門狗電路發(fā)送脈沖信號實現(xiàn)喂狗功能，保證系統(tǒng)死機后能重新啟動。

遠端接收管理平臺

接收管理平臺服務(wù)器使用 USB-LoRa 多通道數(shù)據(jù)通信模塊與多個監(jiān)測控制模塊進行星型組網(wǎng)，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的收發(fā)。

管理平臺采用 Java 語言開發(fā)，基于 SpringBoot 框架實現(xiàn)對多個監(jiān)測控制模塊的配置與管理，如監(jiān)測控制模塊的通信地址與通信數(shù)據(jù)加密配置，每個監(jiān)測控制模塊的 RS 485 接口傳感器地址與數(shù)據(jù)查詢指令的配置，接收監(jiān)測數(shù)據(jù)與圖形化動態(tài)顯示，實現(xiàn)遠程設(shè)備的實時控制管理，配置傳感器數(shù)據(jù)閾值實現(xiàn)環(huán)境告警等。

結(jié) 語

本文設(shè)計開發(fā)了基于 LoRa 通信的機房環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)，重點介紹了監(jiān)測控制模塊的硬件電路與軟件程序設(shè)計。在遠端管理平臺實現(xiàn)了對機房環(huán)境的監(jiān)測和管控，當有超閾值事件發(fā)生時及時預(yù)警。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行良好，擴展性強，可靠性高，可為后續(xù)園區(qū)智能化機房改造和用戶定制服務(wù)提供良好的平臺。

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作者簡介：范華峰（1978—），男，江蘇江陰人，高級工程師，研究方向為計算機軟件及自動控制。陳 楨（1976—），女，江蘇常州人，副教授，研究方向為大數(shù)據(jù)及人工智能。