楊一博　張峻箐　張志儉

摘 要：針對傳統(tǒng)河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)難以實現(xiàn)廣覆蓋與低功耗等問題，設(shè)計了一種基于LoRa的河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，以LoRa-SX1278芯片作為通信模塊，STM32F103RCT6作為節(jié)點主控制器，將傳感器采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過LoRa上傳至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)之后再上傳至服務(wù)器，用戶可在監(jiān)測終端查看實時數(shù)據(jù)，評估覆蓋流域水質(zhì)情況，對水質(zhì)污染現(xiàn)象及重大事故進行預(yù)警，以降低水質(zhì)污染帶來的風險與危害。根據(jù)野外復(fù)雜環(huán)境下的測試，在傳輸速率為1.2 Kb/s，發(fā)射功率30 dBm的情況下，節(jié)點可在1 200 m范圍內(nèi)達到小于9%的丟包率;在使用6 000 mA·h電池，每一小時進行一次數(shù)據(jù)采集并上傳的情況下，單個節(jié)點的有效工作時間理論上可達到30個月。該系統(tǒng)可實現(xiàn)遠距離低功耗的數(shù)據(jù)采集，對河流水質(zhì)實時監(jiān)測的研究有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：低功耗廣域網(wǎng);LoRa技術(shù);水質(zhì)監(jiān)測;實時監(jiān)測系統(tǒng);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）03-00-04

0 引 言

隨著人口的增長以及社會的快速發(fā)展，水資源的重要性越來越突出，所以水資源短缺、水污染嚴重等問題是對我國水質(zhì)檢測工作的一項嚴峻考驗。我國水資源在地區(qū)分布和季節(jié)分配等方面嚴重不均勻[1-2]，所以提高有限水資源的利用率是整個社會的責任。對溫度、pH值、濁度、溶氧等能夠反映水質(zhì)狀況的綜合指標進行檢測和分析，以幫助水利環(huán)保部門更好地了解水質(zhì)情況并做出相應(yīng)決策。

不論是國內(nèi)還是國外，河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)都在水資源的保護與合理利用方面有著重要的地位。美國在20世紀50年代到80年代間投入了大量資金，建立了具有上萬個水質(zhì)監(jiān)測站點的國家水質(zhì)檢測網(wǎng)[3];在20世紀80年代之后，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展進入發(fā)達階段，自動化程度不斷提高。我國在

20世紀70年代前對各水域的化學(xué)成分進行了研究，之后建立了各流域的水質(zhì)監(jiān)測中心。發(fā)展至今，我國已經(jīng)建設(shè)了覆蓋全國各大流域的監(jiān)測系統(tǒng)[4]，但系統(tǒng)多以人工監(jiān)測站點為主，人工監(jiān)測站點能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、多指標的檢測，但由于建立成本較高，只能對關(guān)鍵點指標進行區(qū)域性監(jiān)測，現(xiàn)場工作量大，并且無法進行長期實時監(jiān)測，難以解決突發(fā)性水質(zhì)污染問題[5-6]。

為此，國內(nèi)外也嘗試將自動化監(jiān)測站點與人工監(jiān)測站點相結(jié)合，但目前的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸或是使用運營商網(wǎng)絡(luò)如GPRS等，均無法在野外環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)，其應(yīng)用范圍有限，且功耗較高[7-8];或是使用低功耗局域網(wǎng)如ZigBee，野外傳輸距離太短，若要完成大范圍網(wǎng)絡(luò)搭建則成本太高[9-11]。為了改善我國在水質(zhì)檢測方面的情況，提高監(jiān)測系統(tǒng)的性能，我們必須找到更適合當下情況的監(jiān)測系統(tǒng)。

本文提出了一種采用LoRa搭建河流水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，能同時滿足低功耗與廣覆蓋兩方面需求，對大流域面積的水質(zhì)進行實時監(jiān)測，有助于偏僻地區(qū)流域水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動化管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所研究的基于LoRa的河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、監(jiān)測終端4部分組成。

（1）終端節(jié)點由水質(zhì)檢測傳感器與LoRa模塊組成。傳感器采集濁度、水位、pH值、溫度等水質(zhì)指標，利用LoRa模塊上傳數(shù)據(jù)，主要負責定時（或收到網(wǎng)關(guān)指令時）采集水質(zhì)數(shù)據(jù)并通過LoRa發(fā)送到其所屬網(wǎng)關(guān)。

（2）網(wǎng)關(guān)位于星狀網(wǎng)絡(luò)的核心位置，負責接收來自服務(wù)器的指令，并將來自多個節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總上傳到服務(wù)器。

（3）服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)的控制核心，負責對下屬接入設(shè)備進行鑒權(quán)與管理，匯集并整理不同網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測終端。

（4）用戶通過登錄監(jiān)測終端隨時掌握相關(guān)流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)，實時評估水質(zhì)情況，對可能的污染情況或重大事故進行及時預(yù)警或應(yīng)急評估。

這四部分相鄰層級之間的信息傳遞均為雙向，符合LoRa協(xié)議的網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點構(gòu)成了星形的LoRaWAN，網(wǎng)關(guān)由TCP/IP協(xié)議接入服務(wù)器與監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 LoRaWAN簡介

LoRa作為當今新興的LPWAN低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）的主流代表技術(shù)之一，工作在非授權(quán)頻段，與WiFi、藍牙、ZigBee等現(xiàn)有成熟商用的無線技術(shù)相比，具有低功耗、通信距離長等優(yōu)勢[12-13]。在進行組網(wǎng)時不依賴運營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)，有較低的建網(wǎng)成本且不會局限于運營商信號的覆蓋范圍，適用于野外通信環(huán)境較差的應(yīng)用場景;較長的通信距離降低了建網(wǎng)復(fù)雜度，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的維護成本。

LoRaWAN采用星型拓撲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，架構(gòu)中的LoRa網(wǎng)關(guān)作為一個透明中繼，負責連接前端設(shè)備和后端中央服務(wù)

器[14]。相比低功耗局域網(wǎng)ZigBee的簇樹形拓撲，星型拓撲的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在大范圍部署時具有更低的網(wǎng)絡(luò)拓撲復(fù)雜度和更低的能耗[15]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控器

為降低成本，延長監(jiān)測系統(tǒng)的維護周期，本系統(tǒng)選擇STM32F103RCT6作為終端節(jié)點的主控芯片。該芯片基于ARM32位的Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達72 MHz，內(nèi)置256 KB FLASH和48 KB RAM。更重要的是其在待機模式下只有3.6 μA的電流，需要5 μs的喚醒時間，可以很好地滿足監(jiān)測系統(tǒng)長時間工作的需求。

2.2 LoRa模塊

本系統(tǒng)的終端節(jié)點采用遠程通信射頻芯片SX1278，其有8個上行信道和1個下行信道;靈敏度可達-148 dBm，最遠通信距離長達15 km，鏈路預(yù)算最大168 dB;具有5個通信引腳，與主控器通過UART（TXD，RXD）接口進行數(shù)據(jù)傳遞，通過改變M0和M1的不同組合可被設(shè)置為一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，AUX引腳可以指示狀態(tài)切換與數(shù)據(jù)接收提醒。網(wǎng)關(guān)部分采用SX1301芯片，該芯片具有速率自適應(yīng)功能，根據(jù)終端節(jié)點的遠近可調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩瑥亩胶鈧鬏斔俾逝c穩(wěn)定性。SX1278工作模式見表1所列。

2.3 傳感器模塊

節(jié)點主控器STM32F103RCT6擁有豐富的外設(shè)接口和引腳資源，可以通過合理的資源配置來選取多種不同的水質(zhì)傳感器以采集數(shù)據(jù)，目前暫時接入濁度、水位、pH值和溫度四種傳感器。終端節(jié)點使用的傳感器見表2所列。

2.4 終端節(jié)點供電電路

由于溫度pH變送器BPHT-RS485需要12 V電壓供電，所以采用12 V電池對其供電，通過穩(wěn)壓器模塊LM7805和LM317將其降壓至3.3 V，用以提供STM32處理器和其他模塊及外圍電路的供電。處理器還可以通過控制1N5824模塊來切斷各傳感器外圍電路的供電以降低系統(tǒng)休眠時的功耗及系統(tǒng)維護成本，解決野外供電不方便的問題。終端節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.5 WiFi模塊

WiFi模塊采用樂鑫公司設(shè)計生產(chǎn)的ESP8266模塊，內(nèi)置32位超低功耗Tensilica處理器，集成了標準數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、功率放大器等，僅需很少的外圍電路，便利了硬件電路的設(shè)計。與處理器采用串口通信，下位機可以使用AT指令對其進行配置與數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點

處理器啟動后首先對其外設(shè)以及傳感器與SX1278模塊進行初始化，進行系統(tǒng)自檢以確保初始化正常。然后對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行采集并上傳至網(wǎng)關(guān)，之后關(guān)斷傳感器的供電并將SX1278模塊切換至休眠模式以節(jié)省耗電，最后控制器進入待機模式。休眠模式下的SX1278等待來自網(wǎng)關(guān)的喚醒，之后通過AUX引腳觸發(fā)處理器喚醒中斷，處理器再重新初始化并采集數(shù)據(jù)后上傳。工作流程如圖3所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)

處理器啟動后進行初始化，然后通過AT指令對WiFi模塊進行配置并通過TCP/IP協(xié)議連接服務(wù)器。連接完成后開啟透傳，并嘗試模擬數(shù)據(jù)包的傳輸，若產(chǎn)生異常則重連。連接成功后進入正常的水質(zhì)監(jiān)測周期，每隔一定時間喚醒各個節(jié)點并多通道并行接收其上傳的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)包有損壞或丟包則請求重傳，收集數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)打包上傳至服務(wù)器。若收到來自上層的指令時，例如更變監(jiān)測周期、上傳各節(jié)點狀態(tài)或臨時采集當前水質(zhì)數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)則做出相應(yīng)的調(diào)整并通過廣播信道將指令下傳。工作流程如圖4所示。

3.3 監(jiān)測平臺

河流水質(zhì)監(jiān)測平臺可以分為三個部分，即屬于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)部分和數(shù)據(jù)部分，以及屬于用戶監(jiān)測終端的應(yīng)用管理部分，結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。服務(wù)器負責所有設(shè)備和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理;用戶可以從監(jiān)測終端實時看到河流各類水質(zhì)的變化，也可以對某些關(guān)鍵指標進行閾值設(shè)置，從而在觸發(fā)報警時及時做出應(yīng)對。用戶可以對網(wǎng)關(guān)及其下屬節(jié)點進行管理，調(diào)整數(shù)據(jù)采集周期、通信速率、工作模式等參數(shù)。數(shù)據(jù)實時監(jiān)測界面如圖6所示。

4 實際測試

4.1 終端節(jié)點功耗計算

在無確認傳輸下考慮LoRaWAN的終端節(jié)點功耗模

型[16]，定義TNotif作為兩個連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸周期的間隔時間，Ti和Ii分別代表狀態(tài)i的持續(xù)時間和電流功耗。從而可以由式（1）計算平均電流功耗：

（1）

再根據(jù)電池容量Cbattery（以mA·h為單位），由式（2）可計算終端節(jié)點的有效生存期Tlifetime_unACK：

（2）

通過測試終端節(jié)點各階段的實時工作電流大小，以使用6 000 mA·h電池每一小時進行一次數(shù)據(jù)采集并上傳為例，單個終端節(jié)點的有效生存期理論上可達30個月。

4.2 通信穩(wěn)定性測試

在野外有明顯障礙物的情況下進行通信距離測試：設(shè)置LoRa-SX1278模塊工作頻段為430 MHz，發(fā)射功率為30 dBm，上傳周期為20 s，單個數(shù)據(jù)包大小為10 B，共發(fā)送100個數(shù)據(jù)包。在不同距離下空中速率分別為1.2 Kb/s，

2.4 Kb/s和4.8 Kb/s時的丟包率由圖7可知，丟包率會隨傳輸距離和數(shù)據(jù)速率的增加而升高，通信質(zhì)量下降。數(shù)據(jù)速率的差異將在遠距離時表現(xiàn)得更明顯。數(shù)據(jù)速率為1.2 Kb/s，

在1 200 m內(nèi)可保持小于9%的丟包率，在此基礎(chǔ)上采用TCP快速重傳機制，添加下行ACK報文與終端節(jié)點的計時重傳功能，保證數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)自動化河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在的功耗高、難以廣域覆蓋等問題，設(shè)計了一套基于LoRa的河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。單個終端節(jié)點在使用6 000 mA·h電池供電，上傳周期為30 min的情況下有效生存期可達到18個月。節(jié)點網(wǎng)關(guān)在

1 000 m的通信范圍內(nèi)采用快速重傳機制可保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。相比傳統(tǒng)監(jiān)測方案，本文提出的設(shè)計可以更好地應(yīng)用于野外廣流域范圍內(nèi)的長時間自動化水質(zhì)數(shù)據(jù)收集，為解決河流水質(zhì)監(jiān)測的低成本廣域布網(wǎng)提供有效參考。

注：本文通訊作者為張志儉。

參 考 文 獻

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