李欣敏

（利誠檢測認證集團股份有限公司，廣東 中山 528400）

0 引言

快速的城市化和人口增長對清潔水有很高的需求。然而，河流污染對經(jīng)濟發(fā)展和人類健康造成了嚴重影響[1]。將水質(zhì)監(jiān)測項目納入綜合水資源管理實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的目的是監(jiān)測水質(zhì)狀況，保證水資源管理不受污染和氣候變化等外部因素的影響。水質(zhì)指數(shù)標準和國家水質(zhì)標準提供了水特性的物理、化學(xué)和生物定性分析數(shù)據(jù)[2]。在實際監(jiān)測中，水質(zhì)的一些數(shù)據(jù)會隨時間而變化，手動測量會影響數(shù)據(jù)精度。因此，該文設(shè)計了一種支持人工水質(zhì)監(jiān)測的自動水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時傳輸數(shù)據(jù)，在降低成本的同時，提高數(shù)據(jù)的準確性[3]。

工業(yè)革命4.0時代物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展通過無線網(wǎng)絡(luò)的輔助連接物理和數(shù)字領(lǐng)域。在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中嵌入物聯(lián)網(wǎng)特性可以提高數(shù)據(jù)的準確性，減少人為干預(yù)，系統(tǒng)的尋址功能對確定適合的網(wǎng)絡(luò)類型至關(guān)重要[4]。LoRa源自啁啾擴頻（CSS）技術(shù)，使用空氣接口，以低功率和低成本提供廣泛的無線電覆蓋。它適合于低數(shù)據(jù)傳輸速率的環(huán)境監(jiān)測項目。該文旨在測試LoRa在基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)中的適用性[5]，該系統(tǒng)采用LoRa節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾蝹€LoRa網(wǎng)關(guān)，對采集的數(shù)據(jù)進行分析，并通過開發(fā)的儀表板快速決策系統(tǒng)將結(jié)果傳輸給水環(huán)境學(xué)家。該文為LoRa網(wǎng)絡(luò)的評價提供了依據(jù)。

1 概述

1.1 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

水資源綜合管理項目在操作層面上強調(diào)水質(zhì)監(jiān)測，以保障水資源的安全性。它可以驗證水質(zhì)現(xiàn)狀，并將其結(jié)果與環(huán)境對水資源的影響聯(lián)系起來。人工方法和連續(xù)方法都是通過提供基于水質(zhì)指數(shù)標準和國家水質(zhì)標準的水質(zhì)特性來完成工作的?；诼?lián)合國水環(huán)境規(guī)劃的水質(zhì)參數(shù)的潛在核心組包括氧、鹽度、酸化、氮和磷。這2種方法都需要將對水質(zhì)的深刻認識作為參考。采用現(xiàn)場采樣或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行人工連續(xù)采樣，并對樣本進行分析，提取用于水系統(tǒng)決策的信息。但是，當選擇系統(tǒng)中隱含的無線網(wǎng)絡(luò)時，自動方法需要表明監(jiān)控目標。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)作為水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測的技術(shù)因素

無線網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0革命時代的機制關(guān)鍵之一。它是設(shè)備之間相互連接的通信接口，可以進行信息交換。將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用于水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測可以提高應(yīng)用效率。每種類型的無線網(wǎng)絡(luò)都有自己的可信度，這與它對應(yīng)用系統(tǒng)的職責對應(yīng)。

1.3 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)是2個不同層的編譯：1） 物理層（PHY）采用CSS調(diào)制技術(shù)，可以增強對噪聲的LoRa強度以及在信號傳輸過程中受益于分配帶寬的任何頻率退化機制。該調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)了正交擴散因子（SF），能夠優(yōu)化每個節(jié)點的功率水平和數(shù)據(jù)速率。這樣，即使在信噪比較低的情況下也能降低能量消耗，提高接收機的解碼效率。2） 應(yīng)用層利用LoRa PHY調(diào)制方式生成節(jié)點與運行在星型拓撲中的網(wǎng)關(guān)之間的通信，并與主機層進行數(shù)據(jù)交換，控制傳輸線內(nèi)的射頻信號，從擴頻因數(shù)、帶寬和編碼率3個方面配置LoRa調(diào)制，以適應(yīng)工作環(huán)境。

1.4 LoRa相關(guān)工作績效評估

LoRa調(diào)制利用SF與帶寬和編碼率集成，以確保傳輸服務(wù)對最終數(shù)據(jù)速率的影響。頻率越高，傳輸距離越遠，處理增益越大，接收靈敏度越高，但是傳輸速率越低。編碼率是控制有效載荷數(shù)據(jù)中正向糾錯（FEC）量的可靠單位，在物理層實現(xiàn)，對傳輸線內(nèi)的射頻信號進行管理。考慮非視距（NLOS）條件和城市環(huán)境中的多徑傳播信號，需要驗證無線介質(zhì)對路徑損耗、陰影和多徑衰落的表征。因此，物聯(lián)網(wǎng)平臺上獲取的信號值必須與收發(fā)器的靈敏度水平協(xié)調(diào)。前人研究了不同網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)下LoRa網(wǎng)絡(luò)的性能。瑞士的研究人員將LoRa網(wǎng)絡(luò)用于洪水早期探測。他們表示，在距離為500 m的范圍內(nèi)，接收節(jié)點和水位傳感器節(jié)點之間不存在丟包。對LoRa網(wǎng)絡(luò)來說，雖然監(jiān)測移動的生物有點困難，但是在監(jiān)測5.5 km距離的野生動物時的幀損耗高達2%，功率為20 dBm。不同的應(yīng)用和情況有不同的LoRa性能。在以往研究的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的應(yīng)用目標使用不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來分析其性能。

2 方法

該系統(tǒng)過程涉及水質(zhì)傳感器的確定、供水站點的設(shè)計、LoRa節(jié)點的WSN屬性設(shè)置以及水質(zhì)參數(shù)和LoRa性能的數(shù)據(jù)分析。

2.1 水質(zhì)參數(shù)及站位設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測裝置原型包括2個位于魚塘不同位置的LoRa節(jié)點。2個節(jié)點與單一LoRa 網(wǎng)關(guān)的高度和距離都不同。2個駐地都配備了5 V太陽能電池板。水浸傳感器是在檢查了規(guī)范、其在室外環(huán)境下運行的耐久性和DF機器人分發(fā)器分銷商提供的數(shù)據(jù)表后選擇的，所選傳感器內(nèi)置于以ESP32作為微控制器的工作站中。由于增益為1 dB的接收天線不適合戶外環(huán)境，因此將其設(shè)置在小區(qū)的屋頂陽臺內(nèi)。該接收機工作頻段為920 MHz～ 923 MHz，適用于亞洲地區(qū)。P1位于網(wǎng)關(guān)Rx的視線范圍內(nèi)，P2位于障礙物之間，如圖1所示。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測裝置原型位置示意圖

2.2 LoRa終端的設(shè)計與實現(xiàn)

LoRa終端采集水樣pH、濁度、總?cè)芙夤腆w（TDS）、溶解氧（DO）和溫度等水質(zhì)情況，將它們加入LoRa網(wǎng)絡(luò)并定期將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控App。該文根據(jù)終端需求，設(shè)計并實現(xiàn)了LoRa終端的硬件和軟件。同時，為了實現(xiàn)低功耗性能，在電源管理模塊硬件設(shè)計和終端嵌入式軟件設(shè)計中，不僅實現(xiàn)了電源分類控制方法，而且還實現(xiàn)了定時休眠和監(jiān)控機制。通過上述方法和機制，可以實現(xiàn)終端電源的長期、穩(wěn)定運行。

2.3 發(fā)射機系統(tǒng)實施測量

發(fā)射節(jié)點采用ESP32-LoRa32，工作頻率868 MHz/ 915 MHz，傳輸功率高達20 dBm。該設(shè)備操作頻移鍵控（FSK）調(diào)制模式，數(shù)據(jù)速率為1.2 kbit/s～300 kbit/s。終端設(shè)備通過LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)傳輸也每30 s調(diào)整1次，以減少能源消耗。2種不同發(fā)射功率發(fā)射機的LoRa特性配置見表1。考慮終端節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)關(guān)單，LoRa技術(shù)優(yōu)先采用星型拓撲，以保證設(shè)備的生命周期。

表1 Lora參數(shù)設(shè)置

2.4 水環(huán)保儀表板設(shè)計

儀表板通過物品堆棧v3.14.2的LoRaWAN版本MAC V1.0.2和LoRa Cloud與LoRaWAN服務(wù)器集成，開發(fā)的應(yīng)用程序儀表盤可以可視化水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

利用部署的WSN采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，以理想的水質(zhì)值評價水質(zhì)的性質(zhì)。在已開發(fā)的儀表板中顯示數(shù)據(jù)的平均值，以確定水的狀態(tài)并對水的類別進行分類。LoRa在RSSI和SNR上的性能顯示在物品堆棧服務(wù)器上，服務(wù)器中顯示的數(shù)據(jù)作為驗證丟包數(shù)據(jù)的參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)性質(zhì)分析

由于缺少WQI測定所必需的化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）和氨態(tài)氮，因此無法對水質(zhì)進行分類。這些性能只能通過人工實驗室測試和校準才能獲得更高的精度。盡管如此，該文使用的水參數(shù)能夠確定水是否可以飲用。通過移動應(yīng)用的儀表板可以實時觀察2個（P1和P2）站點的水質(zhì)數(shù)據(jù)，使水環(huán)境保護者能夠?qū)λ臓顟B(tài)進行監(jiān)測。

從云中提取水站采集的存儲數(shù)據(jù)進行分析，2個水站的水質(zhì)比較結(jié)果見表2。當溫度保持在25 ℃時，水體中的微觀物質(zhì)會影響一些水態(tài)參數(shù)。pH值易受自然因素的影響，如果pH值超出其通常范圍，就可能是受外界因素的影響。此外，pH值會隨時間而變化，因此實時獲取pH值是很重要的，2個站點的pH值分別為6.965和7.000，表明水體未受外來元素的污染。獲得的pH值可分別歸類為I類和II類。濁度特性檢查可干擾水生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的過量懸浮物質(zhì)。濁度的期望范圍在0 NTU～5 NTU，2個水站得到的濁度值分別為219.55 NTU和56.27 NTU。因此，這2個地點的水狀況下降到III級濁度特征。總?cè)芙夤腆w（TDS）是水中的有機和無機物，TDS值越高，鹽度越高。此外，它還可作為超標化學(xué)污染物存在的指示物。同時，可參考TDS值來確定是否可作為飲用水的來源，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的標準，TDS的飲用水標準值范圍為50 mg/L～300 mg/L。由表2可知，P1點水體的TDS值超過500 mg/L，不推薦飲用。溶解氧（DO）是指示水生生物賴以生存的氧氣量的重要指標。2個水站的DO平均值均為8 mg/L，屬于II類水體。

表2 獲得的各水站水質(zhì)參數(shù)平均值

綜上所述，與P2的水體相比，P1的水體受到了輕微的污染。TDS和濁度平均值差異較大。雖然這2個水體都沒有受到危險因素的影響，但是仍需要采取預(yù)防措施，以防止任何污染爆發(fā)。因此，以所提供的結(jié)果作為支持決策系統(tǒng)，可以使水環(huán)境學(xué)家及時檢查水的狀況。

3.2 LoRa效果評估

在雙環(huán)境下進行靜態(tài)試驗。天線增益為1 dBi的接收器位于室內(nèi)，兩端節(jié)點置于室外魚塘。該試驗是評價LoRa在自主水質(zhì)監(jiān)測中的性能的重要依據(jù)。2個發(fā)射節(jié)點Tx位于距離地面0.62 m的高度，但與接收機高度Rx不同，Rx的高度為4.13 m。節(jié)點P1和P2與接收器的距離分別為4.30 m和10.95 m。每個末端節(jié)點向接收器發(fā)送10個總有效載荷。記錄P1和P2的RSSI和SNR值。RSSI的可接受值大于-120 dB，而LoRa的良好信噪比值大于-20 dB。

表3總結(jié)了P1和P2點網(wǎng)絡(luò)設(shè)置一和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置二的RSSI、SNR、丟包和接收功率的網(wǎng)絡(luò)特性結(jié)果。P1放置在網(wǎng)關(guān)的視線范圍內(nèi)，因此傳輸信號能夠以其最佳能力運行。它可以通過傳輸過程中獲得的RSSI值來驗證。P1的RSSI范圍均在可用RSSI范圍內(nèi)，SF均為7和9。當傳輸功率為14 dBm時，其中一個RSSI值在-44處獲得了理想的RSSI值。信噪比值在+10 dB以上時也表現(xiàn)出良好的性能。如圖2所示，P1也沒有丟失包記錄，其路徑損耗隨傳輸功率和SF的變大而變小。

P2的網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)果見表3。P2位于NLOS，與接收器距離較遠，且遠于P1位置。根據(jù)表3可知，雖然RSSI值不理想，但是仍在可接受的RSSI范圍內(nèi)。RSSI值隨著SF的減小和傳輸功率的增大而增大。在P2處的信噪比值顯示LoRa網(wǎng)絡(luò)在終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間存在障礙物的情況下仍有較好的性能。當分布系數(shù)SF為7、傳輸功率為5 dBm （5，SF7）時，有明顯的丟包現(xiàn)象，但仍在1%以下。因此，它并沒有極大地影響數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)傳輸。P2的路徑損耗如圖2所示。對比圖2中P1和P2點可以看到，路徑損耗值隨著節(jié)點到網(wǎng)關(guān)距離的增加和NLOS效應(yīng)的增加而增大。降低傳輸功率可以降低LoRa的性能，但是功耗低。此外，它仍然適用于低速率數(shù)據(jù)類型，例如水質(zhì)數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)屬性的范圍仍然在可接受的范圍內(nèi)）。

圖2 P1和P2點的路徑損耗

表3 P1和P2點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置一和二的網(wǎng)絡(luò)特性結(jié)果

LoRa終端的功耗是決定系統(tǒng)工作壽命的關(guān)鍵因素，也是基于LoRa設(shè)計的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，對該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重要意義。高精度電阻串聯(lián)在LoRa端子與電源之間。通過1個示波器測量電阻在3個工作階段的電壓差。根據(jù)歐姆定律可以計算LoRa端子的工作電流。測試電阻阻值為10 Ω。在55 min的第一階段，示波器測量到的電壓差為23 mV，LED兩端的電壓差為15 mV，因此所需電路兩端的電壓差為8 mV。也就是說，系統(tǒng)電流消耗為0.8 mA。而在5 min的預(yù)熱階段，示波器測得的電壓差約為400 mV。也就是說，系統(tǒng)電流消耗為40 mA。在讀取和傳輸階段，示波器測得的電壓差約為1.2 V。也就是說，系統(tǒng)電流消耗為120 mA。因此，一個周期的平均電流消耗如公式（1）所示。

式中：Ti為工作階段i的持續(xù)時間；Th為一個周期的持續(xù)時間，Th=60 min。

將表4數(shù)據(jù)代入公式（1），計算得到Ih為5.06 mA。2節(jié)AA電池的容量約為3000 mA，這意味LoRa終端電源由2節(jié)AA電池在該系統(tǒng)中可以運行長達592 h。

表4 LoRa終端功耗

4 結(jié)語

該文達到了將LoRa網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于自主水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的目的：1） 該智能系統(tǒng)可實時訪問即時決策系統(tǒng)，降低污染爆發(fā)的可能性。2） LoRa是智能地球發(fā)展中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想無線網(wǎng)絡(luò)，具有能耗低和可以遠程使用的優(yōu)點。增加SF值可以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，但會導(dǎo)致RSSI值降低。它還增加了能源消耗，從而影響了設(shè)備的壽命。3） 基于信噪比、RSSI、報文數(shù)據(jù)丟失、接收功率和路徑丟失等指標對LoRa的性能進行評價。通過增加終端節(jié)點之間的距離，可以提高LoRa的性能，減少丟包數(shù)據(jù)的冗余。4） 系統(tǒng)的效率可以通過LoRa網(wǎng)絡(luò)的幾個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來調(diào)整。該文所展示的從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的水質(zhì)屬性值儀表盤證明了LoRa擁有低成本、低功耗運行且不丟失數(shù)據(jù)包的優(yōu)勢，可以作為智能系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)。