一种基于 LoRa 通信的机房环境检测与控制系统

引 言

随着计算机技术和无线通信技术的不断发展，物联网通信技术也日趋成熟，目前的主流是 NB-IoT 和 LoRa。NB-IoT 由电信运营商通过商用频点建设基站进行大规模部署，LoRa 是一种低功耗、传输距离长、抗干扰能力强的无线通信技术， 它通过数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码等手段，实现了类似频移键控调制的低功耗特性，又显著延长了传输距离，即使多个终端使用相同的频率同时发送数据，只要扩频序列不同它们便不会相互干扰，同时 LoRa 还可以通过免费自由频段自行组网。

为实现对机房环境的实时监测与控制，本文采用 ESP32 单片机、温湿度传感器、串口显示屏、电流环传感器、继电器、LoRa 通信模块、红外发射模块组建系统。主要实现了环境温度、设备电流的实时采集、显示与数据实时回传等功能，可根据现场环境温度自动开启和关闭空调设备，在异常情况发生时，系统能控制继电器动作切断动力设备电源，防止意外发生 [1-3]。

系统总体设计

系统由本地机房监测控制模块和远端接收管理平台构成。其中机房监测控制模块实时采集数据并处理，之后根据预先设定的规则完成自我控制，同时将现场采集的数据发送给远端接收管理平台并接收远端发送的管理指令，多个监测控制模块与远端接收管理平台采用星型结构组网 [4]。系统总体框图如图 1 所示。

图 1 系统总体框图

监测控制模块设计

模块硬件设计

采用模块化设计思想，监测控制模块主要由主控制器、采集部分、控制部分、传输部分与显示部分组成。主控制器是检测控制模块的核心，采用 ESP32 单片机管理控制，该单片机采用 40 nm 工艺设计，具有双核 32 位 CPU，主频达230 MHz， 集成了 2.4 GHz 双模 WiFi 和蓝牙， 可提供 I2C、SPI 和 UART 等接口，负责协调模块的运行管理与控制。主控制器通过 RS 485 总线接口与各类传感器通信交互，各传感器在接入总线前需配置不同的站点地址，主控制器根据不同的站点地址轮询每个传感器采集数据。主控制器采用 I/O 口对被控设备进行独立控制，保障控制的可靠性与实时性。主控制器通过 UART 串口与 LoRa 模块通信，实现远程数据的发送与接收。主控制器通过串口输出显示数据 [5-6]。硬件设计原理如图 2 所示。

模块软件设计

模块软件使用 C 语言开 发， 主控程序运行基于FreeRTOS操作系统，可实现多线程管理。程序初始化过程中，主线程创建了 RS 485 传感器采集任务、LoRa 收发数据任务、显示输出任务、I/O 输出控制任务、红外发送任务和看门狗监控任务，依赖 RTOS 系统功能创建 FIFO 消息队列、LoRa 消息队列、显示消息队列、I/O 消息队列和红外消息队列， 实现各任务与中断服务子程序的通信。初始化完成后，主进程进入休眠状态，等待中断事件触发与消息队列监控，发生异常时重启设备。主控制器程序流程如图3 所示。

图 2 硬件设计原理

图 3 主控制器程序流程

RS485传感器采集任务 ：读取传感器配置信息，获得传感器采集地址与采集指令。RS485传感器采用 Modbus通信协议，主控端根据配置循环向总线站点各传感器地址发送查询指令并接收返回的数据，对数据进行校验解码后将数据推送到 LoRa消息队列和显示消息队列中。

LoRa收发数据任务 ：读取 LoRa消息队列中的节点数据， 发送数据到LoRa通信模块 ；读取LoRa通信模块接收的数据， 根据接收的内容进行数据处理与格式转换，然后根据功能将数据发送到相应的消息队列中。

显示输出任务 ：读取显示消息队列中的节点数据，发送数据到显示屏。

I/O 控制任务 ：读取 I/O 消息队列中的节点数据，根据数据内容控制 I/O 引脚的电平，实现设备控制。

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。

看门狗监控任务 ：周期性地向看门狗电路发送脉冲信号实现喂狗功能，保证系统死机后能重新启动。

远端接收管理平台

接收管理平台服务器使用 USB-LoRa 多通道数据通信模块与多个监测控制模块进行星型组网，实现多路数据的收发。

管理平台采用 Java 语言开发，基于 SpringBoot 框架实现对多个监测控制模块的配置与管理，如监测控制模块的通信地址与通信数据加密配置，每个监测控制模块的 RS 485 接口传感器地址与数据查询指令的配置，接收监测数据与图形化动态显示，实现远程设备的实时控制管理，配置传感器数据阈值实现环境告警等。

结 语

本文设计开发了基于 LoRa 通信的机房环境检测与控制系统，重点介绍了监测控制模块的硬件电路与软件程序设计。在远端管理平台实现了对机房环境的监测和管控，当有超阈值事件发生时及时预警。结果表明，该系统运行良好，扩展性强，可靠性高，可为后续园区智能化机房改造和用户定制服务提供良好的平台。

参 考 文 献

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作者简介：范华峰（1978—），男，江苏江阴人，高级工程师，研究方向为计算机软件及自动控制。陈 桢（1976—），女，江苏常州人，副教授，研究方向为大数据及人工智能。