物联网中的LoRa和基于服务器的家庭自动化系统的研究与分析

沙特国王大学学报使用物联网（IoT）的LoRa和基于服务器的家庭自动化Rahabul Islam，Md.Wahidur Rahman，Rahmina Rubaiat，马里兰州马里兰州MahmodulMahfuzReza，Mohammad MotiurRahmanMawlana Bhashani科技大学计算机科学与工程系，Santosh，Tangail 1902，孟加拉国阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年12月25日修订2020年12月26日接受2021年1月7日在线提供保留字：LoRa（远程）物联网（IoT）Web服务器自动化系统可用性量表（SUS）A B S T R A C TLoRa（远程）已成为物联网（IoT）的脱氧核糖核酸（DNA），用于装备智能解决方案。家庭自动化负责提供一个安全和时尚的家。本文提出了一种适用于短距离和长距离的家庭自动化架构，利用多种通信技术，即LoRaWAN，基于服务器的LoRa网关和蓝牙连接。该集成系统有效地控制不同类型的家用电器，并对所有电子部件进行智能管理。普通用户可以通过使用Android应用程序轻松管理这些统一的系统。本文还介绍了实验数据分析。结果和讨论部分提供了一组实验，如LoRa、Wi-Fi和蓝牙的估计传输延迟计算，LoRa的覆盖区域计算（RSSI和SNR值）以及系统可用性量表（SUS）。该计划的SUS得分为93%。然而，拟议的架构可以被称为一个彻底的包智能家居，将是非常可行的，嗡嗡声，方便。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍LoRa是一种基于扩频的调制技术，从称为Chirp扩频（CSS）的技术中获得。LoRa已成为该领域最有效的解决方案之一物联网（IoT）的一些最重要的功能，如低成本和低功耗的无线平台。LoRa技术使用LoRa广域网（LoRaWAN）协议来解决几种类型的实际问题，如控制污染，预防灾难，管理能源，减少自然资源和自动化。其功能领域包括家庭自动化、智能灌溉电力管理、智能城市、智能计量等，遍布100个国家的约1亿台设备连接到LoRa网络。因此，LoRa已成为物联网应用的重要组成部分（SEMTECH，2020）。*通讯作者。电子邮件地址：mm73rahman@gmail.com（M.M. Rahman）。沙特国王大学负责同行审查制作和主办：Elsevier同样，几种通信设备导致低功率、无线物联网通信。它们被分为两部分（Gambi等人， 2018年）：⬛ 局域网（LAN），范围小于1000米。低功率通信设备也被称为在PAN和身体网络中使用的短距离区域网络，诸如蓝牙、IEEE802.15.4和IEEE P802.1ah。⬛ 广域网（WAN），覆盖范围超过1000米。这种低功耗通信设备通常包括Lora WAN、Sigfox和DASH7等。LoRaWAN通过允许使用非常少的功率进行远程通信，为物联网领域带来了革命性的变化蜂窝和基于Wi-Fi的网络需要非常高的带宽和大量的功耗。另一方面，LoRa-WAN技术提供同时无线电通信以及低功耗。另一方面，家庭自动化是指楼宇自动化，也称为智能家居应用（Innotechtoday，2020）。家庭自动化技术用于控制电子元件、娱乐系统以及家用电器。家庭自动化系统还包括用于安全和安保的安保系统。当整个系统连接到互联网上时，相应的操作就变成了一个https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2020.12.0201319-1578/©2021作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comR. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3704IoT的一部分。因此，全球家庭自动化市场正在日益增长。根据（MarketsAndMarkets，2025），2013年家庭自动化市场的增长为57.7亿美元，到2025年将达到128.1亿美元的峰值。2020年。近81%的购房者愿意在其家庭应用中购买自动化技术。统计数据显示，2013年有240万个无线灯泡和灯具可用，预计到2020年，自动灯泡或无线灯泡和灯具的产量将达到1亿个。这些统计数据显著地说明了家庭自动化系统如何成为智能解决方案的重要组成部分。该方案实现了一个智能解决方案，用户可以通过一个完整的家庭自动化包控制所有的家用电器。本文的贡献如下：⬛ 整个架构提供了一个完整的家庭自动化，利用多种通信技术，如LoRa，基于服务器的LoRa网关和蓝牙连接。⬛ 一个自动化系统，用户可以通过使用LoRaWAN技术和蓝牙连接的无线电通信来控制家用⬛ 一个自动化的系统，用户可以通过基于服务器的LoRa网关技术在蓝牙通信失败的情况下本文共分为六个部分。第2介绍了相关贡献的背景;第3节介绍了总体的拟议方法和实施过程。第4节提供了数据计算方法。第五部分说明了我们提出的系统2. 相关工作本节介绍了与我们提出的系统相关的以前的工作。许多伟大的贡献者在物联网领域放置了大量的标志在Gambi et al. （2018）致力于使用LoRa和消息传输远程传输（MQTT）的家庭自动化系统的架构设计。作者试图弄清楚低功耗、低成本但远距离的通信设备如何负责制造基于物联网的解决方案。他们使用了无线电通信扩展频谱，如LoRa来开发他们的方法。作者还发布了两个实验：无线电覆盖区演变，另一个是性能测量。在（Prabaharan等人，2017年），作者致力于无线家庭自动化和智能安全系统的开发。整个系统属于物联网技术。由于启发了他们的想法，他们使用了几种类型的设备来执行他们提出的解决方案，如气体传感器，光敏电阻（LDR），DHT和节点MCU作为微控制器。此外，作者使用MQTT作为一种协议，将所提出的系统置于物联网的机制下论文的作者（Centenaro等人，2016）旨在引入用于基于IoT的场景的连接的新过程。他们还揭示了物联网的优点和缺点，其在智慧城市应用中的适应性，能力和结构设计。Stojkoska等人试图找出智能家居应用的关键挑战和物联网解决方案（RisteskaStojkoska和Trijaliev，2017）。他们提出了一种全面的方法论，说明如何将设备集成到智能家居应用程序中，以及如何绘制以云为中心的物联网应用程序。在（Bababe等人，2017年），作者提出了基于LoRa的intel-ligent家庭自动化系统，该系统使用Android对设备组件的状态进行严格和直接的控制应用程序.他们还使用基于LoRa技术的智能家居的ElShafee等人（ElShafee和Hamed，2012）提出了基于Wi-Fi的家庭自动化和安全系统，该系统由两个互连的组件组成，具有通过LAN和互联网进行控制的能力。第一部分采用Web服务器，负责管理、处理和监控用户的家庭.第二部分丰富了智能家居实施所必需的几种作者还声称，他们提出的方法优于现有的商业解决方案。在（Pavithra和Balakrishnan，2015）中，作者提出了一种基于Wi-Fi的家庭自动化系统，使用树莓派和智能手机来控制和操作电器。他们还提供了一种检测烟雾的机制，通过向智能手机发送图像来提醒用户， Kodali 和 Soratkal （ 2016 ）提出了 一种使用 MQTT 协议和ESP8266的家庭自动化系统整个配置都是通过Wi-Fi控制的。作者在（Froiz-Míguez et al.，2018; Vivek和Sunil，2015;Suryavanshi，2014; Kodali等人，Anitha and Uppalaiah，2016）旨在通过Wi-Fi和Web服务器开发基于物联网的家庭自动化。提出的解决方案是蓬勃发展的rasp- berry作为一个服务器系统。上一篇论文尽管如此，使用LoRa与蓝牙连接和LoRa网关的彻底解决方案尚未提出。但是，所提出的模型实现了一个完整的家庭自动化系统使用LoRa与蓝牙和基于服务器的LoRa网关。在我们提出的系统中，我们已经合并了三种通信技术，在家庭自动化领域找到一个智能解决方案在我们提出的模型中，蓝牙用于短距离通信。Wi-Fi用于中距离通信，LoRa和LoRa网关用于长距离通信。家庭自动化系统中的远程通信。3. 拟议方法和系统说明本节分为三个重要部分。首先，我们将讨论基于LoRaWAN的家庭自动化的实现，以及蓝牙连接。其次，我们将采用家庭自动化系统，基于服务器的LoRa网关，特别是LAN。最后，我们将讨论建议的硬件结构的方案。图1示出了相应的块Fig. 1. 我们提出的解决方案的框图。R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3705图中的家庭自动化范围在我们提出的方法。在此图中，我们已经阐明了使用哪种网络机制来响应距离。该图描绘了蓝牙范围从高达8-10米变化3.1. 使用LoRaWAN和蓝牙技术的家庭自动化我们使用LoRaWAN将家庭自动化分为三个相互连接的部分。LoRaWAN中使用的通信介质是无线电通信技术。为了确保应用程序和微控制器之间的无线数据传输，我们使用了蓝牙技术。因此，这一部分将首先提供我们提出的android应用程序的实现，它在我们的高级解决方案中起着至关重要的作用。我们已经使用了一个android应用程序来提供用户和相应硬件电路之间的管道两个站，包括发送者和接收者，都有一个移动应用程序，其中发送者站是强制性的，但接收者站是可选的。我们使用Android Studio开发了该应用程序，并在多个Android设备上测试了该应用程序，发现与我们预期的结果相同 图图2显示了用户如何能够使用短距离蓝牙将数据从应用程序发送到发送站。在这里，我们提出了蓝牙做一个管道。在此流程图的开始，用户必须打开相应的移动应用程序。设置蓝牙连接是此模型中的一个重要问题用户必须在相关电路和移动电话之间具有蓝牙连接如果蓝牙可用，系统将向微控制器或发送站发送数据连续数据传输中的不利响应导致失败的通知，并允许用户再次发送数据后续尝试将以短消息响应。其次，讨论了如何从发送端发送数据站到接收站。 图图3示出了用户如何使用LoRa（RYLX 400）发送选择性命令 图 4示出了从发送站发送数据的流程图。在这里，系统将检查微控制器是否从移动应用程序接收数据。如果应用程序中的数据可用否定响应将导致等待来自应用程序的数据之后，系统将检查数据的有效性一个富有成效的响应数据vali- dation将变成发送数据从发送站使用微控制器。一个独特的字符数据通过LoRa发送到接收站。发送字符数据的成功响应提供模拟消息。如果数据验证超出范围，则发送站将不发送数据因此，系统将向Android应用程序发送通知，以确保正确的命令。第三，我们将提供一个接收站将如何从发送端接收数据 图图5显示了LoRa如何收集从发送站发送的数据的框图。在这个图中，LoRa将从发送方接收一个独特的字符当微控制器接受来自LoRa的数据时，它将决定哪个组件将打开/关闭。 图图6示出了接收站的工作原理。在这里，在开始时系统将检查通过LoRa发送的传入数据然后，系统将接收到的数据转换为相应的代码。如果进程中输入了损坏的数据，系统将丢弃请求，并且不采取任何操作。如果系统找到所需的响应，它将发送数据到相应的电子部件，以执行用户3.2. 使用基于服务器的LoRa网关的在研究之初，我们发誓要建立一个有效的家庭自动化系统，适用于城市和农村地区。经过对该系统的连续测试，图二. 从开发的移动应用程序发送数据的流程图。R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3706图三. 从发送站发送数据的框图。图四、从发送站发送数据的流程图扩展了我们的视野LoRa技术基于芯片扩频调制，使用低功耗远距离监控家用电器该机制涉及用于低功率数据传输的自通信系统。终端设备和LoRa网关之间的该数据速率由距离和消息持续时间估计在我们的研究中，我们使用了433 MHz的射频带宽。 图图7示出了使用基于服务器的LoRa网关的家庭自动化的相应整体框图。最初，来自一个Android应用程序使用LoRaWAN发送到网关。之后，网关将通知网络服务器的命令。网络服务器将在连接到LoRaWAN的特定网关中执行命令在硬件接口上微控制器将根据LoRa从网关接收的命令执行操作由于LoRa只能在低电压下运行，我们使用了一组继电器电路，负责将220伏高压转换为5伏低压。R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3707图五.用于自动化的LoRa接收站的框图。见图6。 在接收站收集数据的流程图。3.3. 拟议模型的拟议硬件结构图图8（a）示出了发送站的相应建议构造。该图包括一个节点MCU作为微控制器。蓝牙模块负责维护无线应用程序和微控制器之间的连接，负责无线电数据传输的LoRa RYLR400，最后是5 V DC电源。图8（b）示出了所提出的接收器站的构造。该模型利用Node MCU作为微控制器，LoRaR. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3708·.Σ图7.第一次会议。使用LoRa网关和LAN的家庭自动化框图RYLR 400作为接收站。该模型还包括两个或更多个继电器电路，可与220 V AC电源一起工作，以控制AC电子元件。5 V电源保证了微控制器的供电。4. 数据计算方法4.1. LoRa的RSSI值计算RSSI代表接收信号强度指示（RSSI），是指以毫瓦为单位的接收信号 功 率 ， 以 dBm 为 单 位 进 行 测 量 （ Bardwell ， 2002; Anjum ，2019）。该测量值可作为接收器“响应”能力的评估发送者的信号。在本研究中，我们使用曲线拟合来分析信号的RSSI值在一定的距离。假设，接收信号的功率由Pr表示，其被测量单位为dBm，并通过从发射机到接收机的无线介质计算。P =所需的方程通常由方程给出。（1）和（2）。Pr¼Pt-L100L¼10n log1010b 2这里，d（m）表示接收器和发射器之间的距离，并且n是路径损耗（PLE）的指数。能量平滑减少的点称为路径损耗。参数b是固定路径损耗。它可以用Eq表示。（三）、这里，Q（）是如下定义的高斯Q函数，表示接收信号功率低于某个阈值c（dB）的概率该概率用于计算在给定设置中将可实现的RSSI，其在等式（1）中给出（五）、RSSI以dB为单位测量，始终保持负值。如果该值更接近0，则信号会更好。典型的LoRa RSSI值为：⬛ RSSI的最小值为-120dBm。⬛ RSSI值为-30 dBm表示信号较强。⬛ RSSI值为-120 dBm表示弱信号。RSSI值必须保持在典型RSSI值的下限和上限之间的范围内。图9示出了相应RSSI值的曲线图。我们在垂直轴上取了功率，在水平轴上取了相互距离。的地步平稳减少的能量的量被称为路径损耗。在在某一点，该值根据相应的距离而增加。之后，该值变得平行于水平轴并且稳定。因此，相应的RSSI值对于接收器站处的LoRa是重要的，因为信号的功率取决于距离。4.2. LoRa的SNR值计算SNR代表信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），是接收信号的功率与噪声本底功率电平之间的比例。本底噪音显示了一个区域，DPL ddB]¼PL dd dB] 10nlogð3Þ信号源，可以破坏传输的信号，并有-010d0这里，PL表示总路径损耗（dB），PL（d0）表示指定距离处的路径损耗。参考路径损耗由d0计算，其与n组合表示距离d的路径损耗。为了计算在固定的发射机-接收机距离处特定RSSI（dBm）的概率（四）、Pr½Prdc]¼Q Prd-c=rd4Qz1=2½1-erfz=p2]5因此可能发生重传。它可以用等式中所示的S/N比公式以其自然形式描述。（六）、它通常也被表示为信噪比，以对数的形式使用分贝表示，如等式2所示。（七）、SNR¼P信号=P噪声6信噪比dB±10 log10 10P信号=P噪声±7dB通常，噪声基底是灵敏度的实质性极限;然而，LoRa必须在噪声水平下工作R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3709-见图8。 (a)发送站的拟议电路图（b）接收端的拟议电路图。见图9。 我们提出的解决方案的框图。⬛ 通常，LoRa SNR的值始终在20 dB到+ 10 dB之间。如果接收信号的SNR值非常接近+10dB，则其失真较小LoRa可以解调信号，这些信号在本底噪声下为-7.55. 结果和讨论在本节中，我们将讨论我们提出的方法的结果和相关讨论。本节分为四个小节。第一部分提出了一个估计的时间延迟计算。第二部分说明了RSSI和SNR值计算与谷歌地图，包括纬度和经度。第三部分提供了10个随机选择的用户的系统可用性量表（SUS）。最后，第四部分给出了我们开发的原型的快照。5.1. 我们提出的解决方案的时间延迟计算表1显示了10个实验的时间延迟。在这里，我们选择了以秒为单位的时间。在我们提出的解决方案中，我们计算了每个通信设备的时间。在成功完成十次试验后，我们发现LoRa点对点连接的平均时延为1.19 s，Wi-Fi的平均时延为0.101，蓝牙的平均时延为R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3710表1所用通信设备的时间延迟计算实验编号LoRa点对点连接的时间延迟（秒）Wi-Fi的时间延迟（秒）蓝牙时间延迟（秒）11.010.100.4021.300.120.3631.100.110.4041.400.080.3951.300.090.2061.400.100.3971.200.110.3081.200.100.4291.020.080.42101.000.125.320.36. 该表清楚地表明Wi-Fi的时间延迟小于基于LoRa的解决方案和基于蓝牙的解决方案。虽然Wi-Fi中需要的时间延迟较少，但与其他技术相比，它并不具有成本效益。因此，我们选择了一种有效的LoRa技术和蓝牙技术，这种技术不需要任何互联网连接，就可以实现交互式家庭自动化系统。5.2. LoRa的RSSI和SNR值计算这项实验是在我们大学校园周围的地区进行的我们使用433 MHz载波频率来检查LoRa用于交互式家庭自动化的能力。我们在大学内外的不同区域进行了15次实验图10中显示了其中的九个，这表明了谷歌地图中的相应区域。我们已将接收站放置在地图上标有“蓝色”标记的3号区域在成功完成15个实验后，我们使用Google地图找到了纬度、经度和到接收端的距离，并计算了RSSI和SNR的值。表2示出了9个实验的样本，并指示了与“蓝色”标记区域的纬度、经度距离的量我们为地图上的每个测试区域提供了一个唯一的识别号距离以米为单位计算我们的实验发现，尽管有许多障碍物，如建筑物，树木，墙壁，房屋等，但从接收站到的最高范围为2828米图11示出了LoRa的RSSI和SNR值的近似表示。该图表示RSSI值的重要性，RSSI值始终保持为负值。此外，SNR值为都是正的，这同样表明我们的实验信号失真较小。该图显著地标记了RSSI值如何响应于相应的距离而减小。 相反，响应于相应的距离，SNR的值比RSSI减小得更多。该集成也在220 V AC电源上进行了测试，由于电子元件的控制，结果令人满意。虽然我们面对过很多见图10。 实验区域的地图视图见图11。 RSSI与叶老表2LoRa的RSSI和SNR值计算以及距离，纬度和经度。24.24268 89.88653- 109 9 56324.24178 89.88345- 116 5 77424.24061 89.87996- 116 9 10862019-04 - 24 00：00：0024.23999 89.87548- 111 4 153910 24.24282 89.87202- 119 7 1922电话：021 - 88888888传真：021 - 88888888ID纬度经度RSSI（dBm）SNR（dB）距离（m）324.239289.89048中心中心中心424.242789.88804-1048466R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3711表3RSSI和SNR值计算LoRa以及建筑物内的纬度，经度。27第一24.23762 89.89081-116 528第二届24.23763 89.89078-112 930第三届24.23758 89.89078-104 1031第四24.23775 89.8909-103 9图12个。系统可用性量表（SUS）结果的饼图在诸如树木、建筑物、墙壁和强风的障碍物中，RSSI和SNR我们还在建筑物楼层之间的建筑物内进行了这项实验，并在基于LoRa的家庭自动化中取得了令人满意的结果。表3示出了建筑物内不同楼层的相应实验值。5.3. 系统可用性量表（SUS）我们已经完成了一个系统可用性量表（SUS）在十个随机选择的人对我们开发的解决方案图13岁（a）使用Wi-Fi和蓝牙的家庭自动化（b）开发的移动应用程序的屏幕截图（c）基于LoRa的家庭自动化的发送站（d）基于LoRa的家庭自动化的接收站。ID楼层位置纬度经度RSSI（dB）SNR（dB）24地面24.2376289.89072-1175R. 马里兰州伊斯兰瓦希杜尔·拉赫曼河Rubaiat等人沙特国王大学学报3712（Dawson等人， 2019年）的报告。我们给他们提供了一个android应用程序来发送来自特定地区的数据以实现这一目标。这个测试结果表明，我们开发的模型是否适合交互式家庭自动化。SUS结果显示，51%的人强烈支持我们开发的系统; 42%的人支持我们的解决方案。这一结果表明，共有93%的人推荐我们的精致架构。相反，2%的人保持中立，其余5%的人不同意我们提出的解决方案。相应的结果如图所示。 12个。5.4. 我们开发的模型该研究也确保了所提出的模型的结构设计。在我们的开发过程中，我们首先介绍了使用蓝牙和Wi-Fi的自动化家庭的建筑设计。移动应用程序的开发也出现在这一步骤中。在那之后，我们已经开始使用LoRaWAN技术实现家庭自动化 图图13（a）示出了使用蓝牙和Wi-Fi的相应自动化家庭， 13(b)图13（c）示出了LoRa发送站，最后，图13（d）示出了在220 V AC电源下开发的接收站。6. 结论我们通过提供完整的家庭自动化系统为普通用户推出了解决方案。用户可以在日常活动中轻松负担得起此解决方案。我们开发了一个Android应用程序，使用户能够操作所有的电子组件。为了确保整个家庭自动化，我们采用了LoRaWAN技术与蓝牙连接，基于服务器的LoRa网关机制。如果用户保持在一个短距离，蓝牙将被使用.在蓝牙连接不可用的情况下，将使用基于服务器的LoRa网关。如果用户仍然处于短距离和中距离无线通信之外，则将由LoRa操作。结果和讨论的目的是提供我们提出的系统的有效性。为了在物联网领域取得令人满意的结果，我们对这些通信设备进行了传输延迟计算，LoRa的覆盖区域计算以及RSSI和SNR值。虽然我们在实验过程中遇到了一些障碍，但我们也发现了良好的结果。此外，我们还设计了一个系统可用性量表（SUS）来检验普通用户是否满意。开发的模型已达到93%的SUS分数。然而，这些集成的家庭自动化系统将是非常实用，积极和方便的。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用SEMTECH ， 2020 年 。 什 么 是 LoRa®2020 [ 引 用 2020 10 ， 十 二 月 ]; 可 从 ：https://www.semtech.com/lora/what-is-lora.Gambi，E.，例如，2018.基于LoRa技术和消息队列遥测传输协议的家庭自动化架构。Int. 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