唐 菲

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

水是人類賴以生存和發(fā)展的珍貴資源，然而隨著人口劇增和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源遭受的污染也越來越嚴(yán)重，特別是一些突發(fā)的污染事件(如常見于報(bào)端的化工廠爆炸事件、屢禁不止的無良企業(yè)非法排污等)對人民群眾的用水安全構(gòu)成巨大的威脅。 因此有必要建立一套水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，能在線監(jiān)控水質(zhì)狀況，當(dāng)出現(xiàn)水質(zhì)異常時(shí)能迅速發(fā)出預(yù)警，供有關(guān)管理部門及時(shí)作出決策。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)普遍采取二級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞?，即水質(zhì)終端節(jié)點(diǎn)通過GPRS、3G、4G 等網(wǎng)絡(luò)DTU 直接傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的在線監(jiān)控。 石野、梁斯勇等人將GPRS DTU 用于水質(zhì)監(jiān)控[1－2]，路榮坤、錢平等人利用4G DTU 設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[3－4]，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)控的目標(biāo)。 然而DTU 的工作功耗較大，采用電池供電時(shí)最多僅能維持?jǐn)?shù)周時(shí)間就需更換電池，這極大地增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本，如果配備太陽能供電裝置，又會(huì)大幅增加系統(tǒng)安裝成本。 這種不足在僅有少數(shù)幾個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)用場合表現(xiàn)得尚不明顯，但是當(dāng)需要設(shè)置較多監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，這種方式造成的人力物力成本壓力極為可觀。

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，國內(nèi)外越來越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被用于水質(zhì)監(jiān)控。 國內(nèi)孫卓、高偉、喬欣、葛秋等人采用ZigBee 技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[5－8]，國外Karimunnisa、Teja Reddy 等人基于ZigBee 和GPRS 技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)[9－10]，均取得了一定的成效。 然而ZigBee 技術(shù)主要用于短距離無線通信，其實(shí)際傳輸距離僅為百米左右，在水質(zhì)監(jiān)控的應(yīng)用場合，這種通信方式受到了很大的限制。

基于上述研究工作，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，可在線監(jiān)控各種水質(zhì)參數(shù)，并對超標(biāo)的水質(zhì)參數(shù)發(fā)出預(yù)警。 該系統(tǒng)將LoRa 擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)與基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT 有機(jī)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)無法同時(shí)兼顧距離、抗干擾和功耗的問題，實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離、超低功耗無線通信。

1 系統(tǒng)方案分析與設(shè)計(jì)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)種類也越來越多，包括ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、LoRa、SigFox、eMTC、NB-IoT 等。 在國內(nèi)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控領(lǐng)域中，尤其以ZigBee、LoRa、NB-IoT 的使用最為廣泛。 然而ZigBee 由于通信距離短，本文主要關(guān)注LoRa、NB-IoT。

NB-IoT 是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶射頻技術(shù)，具有傳輸距離長、支持海量連接、覆蓋能力強(qiáng)、低功耗、低成本等優(yōu)勢。 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋由運(yùn)營商提供，支持設(shè)備直接接入廣域網(wǎng)中。 但是運(yùn)營商的覆蓋網(wǎng)絡(luò)不可避免會(huì)存在覆蓋盲點(diǎn)，特別是有些偏遠(yuǎn)的水域更容易形成覆蓋死角，不利于設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，而且NB-IoT 采用授權(quán)頻段，需要向運(yùn)營商支付較高資費(fèi)。

LoRa 是由Semtech 公司開發(fā)的一種Sub-GHz線性調(diào)頻擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)，典型特點(diǎn)是距離遠(yuǎn)、功耗低，速率相對較低。 LoRa 工作在1 GHz 以下的非授權(quán)頻段，在應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)，而且可以自行組建網(wǎng)絡(luò)，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到地方發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

綜上所述，LoRa 模塊在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重迭、可伸縮性等方面具有獨(dú)特的特性，但不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務(wù)質(zhì)量。 NB-IoT 出于對服務(wù)質(zhì)量的考慮，卻無法提供類似LoRa 一樣的電池壽命。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，一般監(jiān)測點(diǎn)都比較多，屬于高密度網(wǎng)絡(luò)，如果采用中央管理模式的二級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨福菀自斐煞?wù)器擁堵，導(dǎo)致輪詢周期加長，數(shù)據(jù)難以得到及時(shí)傳輸。 有鑒于此，本系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)方式，通過NB-IoT 技術(shù)和LoRa 技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將系統(tǒng)分成監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分。 其中監(jiān)控中心由一臺聯(lián)網(wǎng)PC 機(jī)和監(jiān)控軟件組成，負(fù)責(zé)匯總各終端節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)，并通過簡潔明了的界面顯示出來，同時(shí)對異常水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)警，以便工作人員及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控中心與終端節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，負(fù)責(zé)通過自行組建的LoRa 子網(wǎng)絡(luò)匯總節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用NB-IoT 技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，由市電或太陽能光伏電池供電。 終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集水溫、濁度、氨氮、堿度、電導(dǎo)率等水質(zhì)指標(biāo)，并通過LoRa 子網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用電池供電。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

這種組網(wǎng)方式既可通過LoRa 子網(wǎng)將傳感器延伸至各種水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，無須受運(yùn)營商蜂窩覆蓋盲點(diǎn)的制約，又可利用運(yùn)營商提供的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)高效快捷地將數(shù)據(jù)接入廣域網(wǎng)，并通過公共通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)中心或移動(dòng)終端應(yīng)用。

當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)較多時(shí)，這種組網(wǎng)方式顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。 國家環(huán)境生態(tài)部?地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范?規(guī)定，地下水飲用水源保護(hù)區(qū)和補(bǔ)給區(qū)面積小于50 km2時(shí)，水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)不少于7個(gè)；再生水農(nóng)用區(qū)面積大于100 km2時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)不少于20個(gè)[11]。

以100 km2水域?yàn)槔?，若采用傳統(tǒng)DTU 方案，需配備10～20個(gè)太陽能供電裝置，成本較高；若采用ZigBee 組網(wǎng)方式，每隔100 m 就需配備中繼器，組網(wǎng)過于龐大而復(fù)雜。 而本系統(tǒng)所采用的LoRa 技術(shù)支持達(dá)到10 km 的有效通信距離，在方圓10 km 的范圍內(nèi)僅配置一個(gè)需市電或太陽能供電的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即可管理區(qū)域內(nèi)所有的水質(zhì)終端節(jié)點(diǎn)，這對降低整個(gè)系統(tǒng)的安裝成本和維護(hù)成本具有十分重要的意義。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離通信的問題，本系統(tǒng)采用全新一代LoRa 調(diào)制解調(diào)器作為通信單元，并設(shè)計(jì)了高功率收發(fā)前端，使通信鏈路增益提高了8 dB，同時(shí)采用具備業(yè)界更低靜態(tài)電流(75 nA)的DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)，達(dá)到超低功耗、超遠(yuǎn)距離通信的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1 通信鏈路傳輸模型

電磁波傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生路徑損耗，通過對傳輸路徑損耗模型的研究可以預(yù)測無線信號的傳輸距離。 電磁波在自由空間的傳播路徑損耗模型可由Friis 公式給出:

式中:Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為波長，d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的空間距離，L為系統(tǒng)損耗系數(shù)(L≥1)。 天線增益與其有效截面積Ae有關(guān)，可用如下公式表示:

λ與載波頻率有關(guān)，即:

Friis 自由空間方程式說明了隨著發(fā)射機(jī)至接收機(jī)之間距離平方值的增加，接收功率不斷下降，其關(guān)系為20 dB/10 倍程。 假設(shè)路徑損耗為PL，從上述路徑損耗模型可以得到自由空間路徑損耗為:

假設(shè)發(fā)射天線和接收天線具有相同增益，那么式(2)可簡化為:

Friis 自由空間模型僅當(dāng)d為發(fā)射天線遠(yuǎn)場值時(shí)適用，顯然，式(5)不包括d＝0 的情況。 所以在傳輸模型中通常采用一個(gè)較近距離d0作為接收功率的參考點(diǎn)，當(dāng)d>d0時(shí)，接收機(jī)在距離為d處的接收功率Pr(d)與d0處接收功率的Pr(d0)相關(guān)，可以表示為:

在無線通信中，實(shí)際通信鏈路的路徑損耗可能由很多原因引起，單獨(dú)使用自由空間傳輸模型，在很多時(shí)候是不準(zhǔn)確的。 引起路徑損耗的原因主要有自由空間損耗、折射、衍射、散射、繞射等，實(shí)際傳輸損耗比自由空間中的損耗要快得多，實(shí)際路徑損耗可以表示為:

式中:d0為參考距離，一般取1 m，n為路徑損耗指數(shù)，Xσ為遮蔽因子，服從對數(shù)正太分布，均值為0。地勢和環(huán)境不同損耗指數(shù)也不同[12]，如表1 所示。

表1 不同環(huán)境下的損耗指數(shù)

2.2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)由EFM8 微控單元、LoRa 通信單元、水質(zhì)傳感器單元和供電單元等組成，利用Silicon Labs公司EFM8 系列單片機(jī)強(qiáng)大的低功耗設(shè)計(jì)能力，通過配置不同的時(shí)鐘信號來降低CPU 的工作頻率、選擇性地關(guān)閉暫時(shí)不使用的外設(shè)等方式達(dá)到降低整機(jī)功耗的目的。 終端節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖2 所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)原理框圖

2.2.1 LoRa 通信單元設(shè)計(jì)

根據(jù)通信鏈路傳輸模型，本系統(tǒng)采用LLCC68 作為射頻收發(fā)芯片。 LLCC68 為Semtech 公司于2019年7 月底推出的全新一代Sub-GHz 無線電收發(fā)器，專為實(shí)現(xiàn)長電池壽命而設(shè)計(jì)，借助LoRa 擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，提供了卓越的輸出功率(＋22 dBm)和出色的接收靈敏度(－148 dBm)，成為遠(yuǎn)距離、低功耗、高可靠性應(yīng)用的最佳選擇。 在睡眠模式時(shí)其靜態(tài)電流僅為0.2 μA，能夠最大限度降低電流消耗[13]。

本系統(tǒng)LoRa 通信單元工作于470 MHz 免申請頻段，采用具有6 dBi 增益的全向膠棒天線，由于LLCC68 具有＋22 dBm 的輸出功率，工作在125 kHz帶寬時(shí)接收靈敏度為－133 dBm，根據(jù)式(7)可得到LLCC68 最大通信距離達(dá)到10 km。 在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高功率收發(fā)前端，將LoRa 最大發(fā)射功率提高至＋30 dBm，使得最大傳輸距離增加一倍，且可根據(jù)實(shí)際通信距離調(diào)整發(fā)射功率以降低功耗。LoRa 通信單元原理圖如圖3 所示。

圖3 LoRa 通信單元原理圖

2.2.2 傳感器單元設(shè)計(jì)

針對常規(guī)水質(zhì)五參數(shù)應(yīng)用場合，本系統(tǒng)采用一體化多參數(shù)水質(zhì)傳感器進(jìn)行水質(zhì)采樣。 禹山公司第二代Y4000 系列多參數(shù)水質(zhì)傳感器采用多合一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最多可以同時(shí)接6 支數(shù)字傳感器，如溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、pH 值等，采用RS-485 總線接口，支持MODBUS 通信協(xié)議，供電電壓為＋5 V～12 V，供電電流為50 mA。

2.2.3 供電單元設(shè)計(jì)

在電池供電應(yīng)用中，電源設(shè)計(jì)極為重要，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，電源電路本身將成為消耗電池電量的主要來源。 終端節(jié)點(diǎn)由一節(jié)ER34615 鋰/亞硫酰氯電池和一節(jié)SPC1550/W 電容并聯(lián)供電，這種組合既有低于1%的年自放電率，又能提供高達(dá)2 A 的瞬時(shí)大電流。 在放電過程中電池電壓一般在4.2 V～2.5 V之間變化，無法直接對微控單元、LoRa 通信單元和傳感器單元供電。

傳感器單元采用＋12 V 供電，需要采用升壓電路將電壓升至傳感器所需電壓。 ADI 公司的LT8337 升壓芯片，效率高達(dá)94%，靜態(tài)電流低至9 μA[14]，通過采用場效應(yīng)管搭建電源開關(guān)電路，在不需要采集參數(shù)的期間關(guān)閉水質(zhì)傳感器電源以降低功耗。

微控單元和LoRa 收發(fā)單元采用＋3.3 V 供電，需要采用降壓/升壓電路輸出穩(wěn)定的所需電壓。 TI 公司的TPS63900 是一款具有超低靜態(tài)電流(75 nA)的高效同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，即便在負(fù)載電流低至10 μA 時(shí)依舊保持超過90%的效率，非常適合與各種一次電池以及二次電池搭配使用。 高輸出電流功能支持Sub-GHz、BLE、LoRa、wM-Bus 和NB-IoT 等常用射頻標(biāo)準(zhǔn)[15]。 其電路原理圖如圖4 所示。

圖4 電源電路原理圖

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，起到承上啟下的作用，主要由EFM8 微控單元、LoRa 無線通信單元和NB-IoT 無線通信單元三個(gè)部分組成，采用市電或太陽能供電方式，如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原理框圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的LoRa 無線通信單元采用與終端節(jié)點(diǎn)一樣的方案，二者的無線通信以同頻方式進(jìn)行。 水質(zhì)監(jiān)控的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)吞吐量不大，對通信速率要求不高，但是有些監(jiān)測處于偏遠(yuǎn)的江河湖海中，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋及傳輸距離有更高的要求。 GSM、GPRS、4G 等網(wǎng)絡(luò)DTU 雖然支持高速數(shù)據(jù)傳輸，但是功耗較大，NB-IoT 由于其功率譜密度、重傳的技術(shù)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較GSM 系統(tǒng)20 dB 的覆蓋增強(qiáng)能力[16]，所以本系統(tǒng)采用傳輸距離更遠(yuǎn)、運(yùn)行功耗更低、硬件成本更優(yōu)的NB-IoT 作為網(wǎng)關(guān)。 本系統(tǒng)采用移遠(yuǎn)BC28 作為NB-IoT 通信模塊，其電路原理圖如圖6 所示。

圖6 NB-IoT 網(wǎng)關(guān)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心三部分軟件組成。 由于LoRa 為同頻通信，理論上每次通信所有的節(jié)點(diǎn)都能收到，如果此時(shí)所有的終端節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行報(bào)文接收和處理，會(huì)極大地浪費(fèi)它們的處理時(shí)間和電池電量。 有鑒于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種空中喚醒機(jī)制，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)每次發(fā)起通信時(shí)，先發(fā)起空中喚醒，喚醒地址碼相匹配的終端節(jié)點(diǎn)然后進(jìn)行通信，而其他終端節(jié)點(diǎn)由于地址碼不匹配，不會(huì)被喚醒。 這種機(jī)制極大地節(jié)約了系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間和功耗，增加終端節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作時(shí)間。 為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在編解碼中采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯(cuò)碼，自動(dòng)糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率，同時(shí)通過設(shè)計(jì)超時(shí)重發(fā)機(jī)制，在發(fā)生通信誤碼時(shí)，可以通過該機(jī)制確保數(shù)據(jù)正確傳輸。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 運(yùn)行機(jī)制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)采用雙喚醒機(jī)制，即定時(shí)喚醒機(jī)制和空中喚醒機(jī)制，只有被喚醒時(shí)終端節(jié)點(diǎn)才會(huì)消耗電源，其余絕大部分時(shí)間處于極低功耗的睡眠狀態(tài)。 其中定時(shí)喚醒機(jī)制主要用作定時(shí)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)采集，以確保水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)性。 空中喚醒機(jī)制主要用作數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的喚醒指令，終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)被喚醒并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖7 所示。

圖7 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.1.2 節(jié)點(diǎn)功耗評估模型

根據(jù)上述硬件電路及軟件運(yùn)行機(jī)制，可以對終端節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行評估。 由于終端節(jié)點(diǎn)包含微控制器、水質(zhì)傳感器、通信單元等多個(gè)硬件組件，同一個(gè)硬件又具有多種運(yùn)行狀態(tài)，不同的狀態(tài)有不同的電流消耗，所以終端節(jié)點(diǎn)具有復(fù)雜的功率消耗特性，因此有必要建立一個(gè)實(shí)用有效的模型，對終端節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行評估。

假設(shè)每種工作狀態(tài)都有一個(gè)穩(wěn)定的功耗值，那么一種硬件模塊就會(huì)有多個(gè)離散的功耗狀態(tài)。 我們可以用集合D＝{d1，d2，…di…dm}表示終端節(jié)點(diǎn)所包含的m種硬件，用集合S＝{s1，s2，……sn}表示每種硬件模塊包含的n種工作狀態(tài)，用集合P＝{p1，p2，…pi…pn}表示n種工作狀態(tài)下所對應(yīng)的n種功率消耗值。如果已知每種硬件模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)序，就可計(jì)算出某一時(shí)刻終端節(jié)點(diǎn)的功耗，可以表示為:

式中:Is為終端節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)下的電流，t為設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，ΔTj為硬件模塊j持續(xù)工作時(shí)間。 由式(8)可知，終端節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻的功耗值取決于各硬件模塊的狀態(tài)，為各硬件模塊實(shí)時(shí)狀態(tài)的功耗之和。

終端節(jié)點(diǎn)主要運(yùn)行狀態(tài)有:初始化狀態(tài)、參數(shù)采集狀態(tài)、空中監(jiān)聽狀態(tài)、接收狀態(tài)、發(fā)射狀態(tài)、休眠狀態(tài)。 根據(jù)硬件電路及相應(yīng)的硬件手冊可以估算，終端節(jié)點(diǎn)在這些狀態(tài)中消耗的瞬時(shí)電流分別為2 mA、52 mA、4.6 mA、4.6 mA、107 mA(發(fā)射功率＋22 dBm)和3 μA，如圖8 所示。

圖8 終端節(jié)點(diǎn)主要狀態(tài)運(yùn)行功耗示意圖

由此得到終端節(jié)點(diǎn)總耗電量為:

式中:Ei為終端節(jié)點(diǎn)初始化所消耗的電量，僅發(fā)生在首次上電瞬間時(shí)，在總功耗中占比極低，一般可忽略不計(jì)；n為節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，單位為天；Eb為電池總?cè)萘?，η為電池自身放電率；E1為終端節(jié)點(diǎn)每天耗電量，可得到以下公式:

式中:Ec為采集狀態(tài)消耗電量，tc為該狀態(tài)工作時(shí)間，n為每天進(jìn)入定時(shí)喚醒次數(shù)；Ew為監(jiān)聽狀態(tài)消耗電量，tw為該狀態(tài)工作時(shí)間，k為每天進(jìn)入監(jiān)聽模式次數(shù)；Er、Et分別為接收、發(fā)射狀態(tài)消耗電量，tr、tt分別為該狀態(tài)工作時(shí)間，m為每天進(jìn)入該狀態(tài)次數(shù)；Es為休眠狀態(tài)消耗電量，ts為該狀態(tài)工作時(shí)間；η1為電池每天自放電率，終端節(jié)點(diǎn)各狀態(tài)運(yùn)行時(shí)序如表2 所示。

表2 終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)序表

假設(shè)采用19AH 鋰亞電池為終端節(jié)點(diǎn)供電，年自放電率為1%，DC/DC 電源轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率按90%計(jì)，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)每天功耗為:

根據(jù)節(jié)點(diǎn)功耗評估模型，終端節(jié)點(diǎn)每天大概消耗電量為16.719 mAH，預(yù)計(jì)采用19 AH 的鋰亞電池供電，可持續(xù)工作超過三年。 終端節(jié)點(diǎn)功耗分布圖如圖9 所示。

圖9 終端節(jié)點(diǎn)功耗分布圖

由圖中可知，采集模式消耗了大部分功耗，如果降低傳感器采集頻率，可大幅降低節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)功耗，從而延長節(jié)點(diǎn)續(xù)航時(shí)間。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)LoRa 通信機(jī)制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)LoRa 通信采用主從半雙工通信方式，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的地址碼，每次通信由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)按順序發(fā)起輪詢，相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答，完成水質(zhì)參數(shù)的傳輸。

針對可能存在的通信誤碼的問題，本文設(shè)計(jì)了一種超時(shí)重發(fā)機(jī)制，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出通信報(bào)文后開始計(jì)時(shí)，如果超出設(shè)定的時(shí)間沒有收到應(yīng)答報(bào)文，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)判斷為通信超時(shí)，然后根據(jù)超時(shí)重發(fā)機(jī)制重新發(fā)送通信報(bào)文。 如果連續(xù)五次無應(yīng)答報(bào)文，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則將該終端節(jié)點(diǎn)判斷為故障節(jié)點(diǎn)。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)LoRa 通信機(jī)制流程圖如圖10 所示。

圖10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)LoRa 通信機(jī)制流程圖

3.2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)NB-IoT 通信機(jī)制設(shè)計(jì)

BC28 模塊由AT 指令控制，本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用CoAP 協(xié)議接入到中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(CTWing)或中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(OneNet)，圖11為平臺端和設(shè)備端接入OneNet 過程。

圖11 NB-IoT 接入OneNet 流程圖

3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的監(jiān)控中心由一臺聯(lián)網(wǎng)PC 機(jī)和安裝在PC 機(jī)上的水質(zhì)在線監(jiān)控軟件組成。 監(jiān)控中心與各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)匯總到監(jiān)控中心，并通過簡潔明了的界面顯示出來，還可對相關(guān)參數(shù)設(shè)置門限值，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)超過門限值時(shí)，監(jiān)控中心通過聲光等方式進(jìn)行預(yù)警，以便工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。 水質(zhì)在線監(jiān)控軟件的開發(fā)涉及C＃開發(fā)語言、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面等諸多技術(shù)，使用微軟公司的Visual Studio 2015 進(jìn)行開發(fā)。 其軟件界面如圖12 所示。

圖12 水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完全遵守環(huán)保212 數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[17]，能夠完成與環(huán)保局以及各類終端系統(tǒng)平臺的實(shí)時(shí)水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對接。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性及可靠性，項(xiàng)目組建立了一個(gè)小型水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，包含一個(gè)監(jiān)控中心、兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原型樣機(jī)實(shí)物分別如圖13、14 所示。

圖13 終端節(jié)點(diǎn)原型樣機(jī)實(shí)物圖

圖14 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原型樣機(jī)實(shí)物圖

將它們按照圖1 所示架構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，其中監(jiān)控中心位于揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)均安裝于高郵湖南岸及東岸。 截取其中2021 年10 月25 日至2021 年11 月24日共一個(gè)月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析的指標(biāo)為對系統(tǒng)至關(guān)重要的通信可靠性及終端節(jié)點(diǎn)續(xù)航能力。

4.1 NB-IoT 通信試驗(yàn)

NB-IoT 通信試驗(yàn)方法為:在監(jiān)控中心的水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入統(tǒng)計(jì)程序?qū)νㄐ攀瞻l(fā)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每次通信均由監(jiān)控中心發(fā)起，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到指令后進(jìn)行應(yīng)答，監(jiān)控中心對每一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的輪詢間隔時(shí)間為1 min。 如果監(jiān)控中心超過指定時(shí)間還未收到應(yīng)答報(bào)文，則按照超時(shí)重發(fā)機(jī)制進(jìn)行超時(shí)重發(fā)。 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)中總發(fā)送次數(shù)為包含超時(shí)重發(fā)次數(shù)在內(nèi)的所有發(fā)送次數(shù)；總收發(fā)成功率為包含一次收發(fā)即可完成傳輸和需要超時(shí)重發(fā)才能完成傳輸?shù)某晒β省?/p>

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用中國移動(dòng)的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)接入廣域網(wǎng)，監(jiān)控中心和兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間通信統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 NB-IoT 通信統(tǒng)計(jì)表

驗(yàn)證結(jié)果表明，NB-IoT 通信丟包率較低，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

4.2 LoRa 通信試驗(yàn)

LoRa 通信試驗(yàn)方法為:在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中嵌入統(tǒng)計(jì)程序?qū)νㄐ攀瞻l(fā)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果存儲于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的E2PROM 存儲器中。 每次通信均由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)起，終端節(jié)點(diǎn)收到指令后進(jìn)行應(yīng)答，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的輪詢間隔時(shí)間為1 min。如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)超過指定時(shí)間還未收到應(yīng)答報(bào)文，則按照超時(shí)重發(fā)機(jī)制進(jìn)行超時(shí)重發(fā)。 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)中總發(fā)送次數(shù)為包含超時(shí)重發(fā)次數(shù)在內(nèi)的所有發(fā)送次數(shù)；總收發(fā)成功率為包含一次收發(fā)即可完成傳輸和需要超時(shí)重發(fā)才能完成傳輸?shù)某晒β省?/p>

電池消耗電量通過得康DT50W-16 型多功能鋰電池檢測分容設(shè)備進(jìn)行評估，評估方法為:選取5個(gè)同型號同批次全新鋰亞電池，當(dāng)電池電壓降低至2.5 V時(shí)視為電池耗盡，得到每個(gè)電池的電量電量，取其平均值作為該批次鋰亞電池總?cè)萘俊?采用該批次鋰亞電池的10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)運(yùn)行一個(gè)月后，對每個(gè)電池剩余電量進(jìn)行測試，得到終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行一個(gè)月所消耗的電池電量。

兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分別與5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成兩個(gè)LoRa 無線通信子網(wǎng)。 其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1 天線高度為3 m，所轄終端節(jié)點(diǎn)地址碼分別為1－1～1－5，依次分布在以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1 為中心的2、4、6、8、10 km 處，均為可視距離；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)2 天線高度為3 m，所轄終端節(jié)點(diǎn)地址分別為2－1～2－5，依次分布在以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)2 為中心的2、4、6、8、10 km 處，均為可視距離。 所有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率均設(shè)為＋22 dBm。 LoRa 通信統(tǒng)計(jì)表如表4 所示。

由表4 可以看到，LoRa 存在微小的通信誤碼率，而且隨著通信距離增加通信誤碼率也跟著增加，通信距離達(dá)到10 km 時(shí)誤碼率最大，達(dá)到2.96%，所有節(jié)點(diǎn)平均通信誤碼率為1.79%。 但是通過設(shè)計(jì)了超時(shí)重發(fā)機(jī)制，完全消除了該問題對整個(gè)系統(tǒng)的影響，最終所有參數(shù)均能100%可靠地傳輸至監(jiān)控中心。 與文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的傳輸距離提高了將近兩個(gè)數(shù)量級。

由表4 可知，在采用一節(jié)容量為19 AH 的ER34615 鋰/亞硫酰氯電池供電的情況下，所有的終端節(jié)點(diǎn)電池消耗量最大為 486. 4 mAH/月(16.04 mAH/天)，平均月消耗量為478.48 mAH/月(15.95 mAH/天)，接近節(jié)點(diǎn)功耗評估模型的計(jì)算值。據(jù)此推斷，其在網(wǎng)連續(xù)工作時(shí)間可望超過3 年。 文獻(xiàn)[8]的測試結(jié)果表明，其終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在使用170 mAH 充電電池供電時(shí)可連續(xù)工作12個(gè)小時(shí)。 相比之下，本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)具有更長的持續(xù)工作時(shí)間，更具有工程實(shí)用價(jià)值。

表4 LoRa 通信統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

針對當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種分布式水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)無法同時(shí)兼顧傳輸距離、抗干擾和低功耗的問題，實(shí)現(xiàn)了超長距離、超低功耗無線傳輸。 通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)具有成本低廉、易于安裝、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)魯棒性，具備一定的市場推廣潛力。 該系統(tǒng)所選取的方案和設(shè)計(jì)方法也同樣適用于無線抄表、水產(chǎn)養(yǎng)殖、蔬菜大棚、路燈管理等應(yīng)用場合。