柯佩佩 劉廣偉 程淑偉 吳春玲 吳亞斌 馮蕾

摘 要：為解決傳統(tǒng)河道污水排放監(jiān)測(cè)方式中存在的弊端，文中提出了基于LoRa通信的城市河道污水排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用LoRa協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRaWAN網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)傳輸及命令控制，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送給云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)測(cè)中心Web客戶端從云端調(diào)取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在河道排污口安置LoRa終端節(jié)點(diǎn)，監(jiān)管人員無(wú)需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，只需通過(guò)監(jiān)測(cè)中心Web客戶端的數(shù)據(jù)分析及報(bào)警提醒等即可了解排污口情況。并在實(shí)際環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、功耗低以及監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)崟r(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);低功耗;LoRa;污水排放監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）01-00-03

0 引 言

環(huán)境保護(hù)是社會(huì)的熱點(diǎn)話題，如何進(jìn)行高效的環(huán)境監(jiān)管是目前監(jiān)管部門致力解決的難點(diǎn)[1]。一直以來(lái)排污口的巡查管理主要依賴于人工巡查，而這種傳統(tǒng)巡查方式人員成本、時(shí)間成本高[2-3]。同時(shí)違法企業(yè)在掌握了人工巡查的時(shí)間規(guī)律后，往往選擇避開巡視人員的巡查偷偷排放，使污水排放無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控[4]。

近幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用信息化智能管理成為各鄰域的發(fā)展趨勢(shì)[5-6]。其中具有低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)的LoRa通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[7]。本文采用LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了城市河道污水排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)人工巡查方式存在的弊端[8]。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)分為感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。LoRa終端節(jié)點(diǎn)安裝在河道排污口監(jiān)管區(qū)域，作為感知層，實(shí)時(shí)采集排污口的信息。LoRa終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa協(xié)議將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器。在應(yīng)用層，監(jiān)測(cè)中心Web客戶端通過(guò)云端服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，在網(wǎng)頁(yè)上以圖表等直觀形式呈現(xiàn)給管理人員。管理人員通過(guò)觀察報(bào)警提醒或Web客戶端上記錄的數(shù)據(jù)變化，能及時(shí)掌握排污口情況，節(jié)約了管理人員的巡查時(shí)間，提高了監(jiān)管效率。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 LoRa終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是組成感知層LoRa節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)關(guān)通信。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LoRa終端節(jié)點(diǎn)由STM32低功耗微處理器、LoRa通信模塊SX1278、各類傳感器、電池構(gòu)成。LoRa終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

由于LoRaWAN網(wǎng)關(guān)是連接終端節(jié)點(diǎn)與云端服務(wù)器的重要設(shè)備，需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力支撐網(wǎng)關(guān)。本文選用具有1 GHz主頻和512 MB運(yùn)行內(nèi)存的樹莓派處理器[9]，保證了網(wǎng)關(guān)并行處理數(shù)據(jù)的運(yùn)算能力。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用的SX1301芯片具有高達(dá)-142.5 dBm的接收靈敏度[10]，具有49個(gè)虛擬通道以及可采用ADR技術(shù)等特點(diǎn)[11]。支持多信道多數(shù)據(jù)的并行處理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)天線分集，有效降低同頻干擾，提高抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸[12]。網(wǎng)關(guān)采用太陽(yáng)能供電以提高網(wǎng)關(guān)部署的環(huán)境適應(yīng)性、移動(dòng)便攜性。

1.4 Web客戶端

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)性能測(cè)試

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)作為向下連接LoRa終端節(jié)點(diǎn)、向上連接云服務(wù)器的中間樞紐，其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的丟包率和傳輸覆蓋范圍是關(guān)注的重點(diǎn)。故本文對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，持續(xù)工作周期為30天，分別在空曠地區(qū)與密集建筑區(qū)進(jìn)行了測(cè)試。

2.1.1 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)丟包率測(cè)試

2.1.2 網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍測(cè)試

LoRa通信模塊在戶外的覆蓋范圍對(duì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)具有重要意義，分別在開闊地區(qū)和密集建筑區(qū)進(jìn)行了測(cè)試。如圖5（a）所示，在校區(qū)附近開闊地區(qū)進(jìn)行了通信距離測(cè)試，網(wǎng)關(guān)天線位于A處，在B，C，D三個(gè)地點(diǎn)分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2所列。

2.2 LoRa終端節(jié)點(diǎn)的功耗測(cè)試

2.2.1 休眠模式功耗測(cè)量

休眠參數(shù)是LoRa節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試的關(guān)鍵指標(biāo)[13]，理論上SX1278的休眠電流為1 μA，STM32L休眠電流為560 nA，其他傳感器設(shè)置為無(wú)工作時(shí)關(guān)閉。在實(shí)際測(cè)試中，LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)LoRa模塊休眠電流為1.1 μA。

2.2.2 運(yùn)行模式功耗測(cè)量

（1）酸堿度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時(shí)間為10 ms，工作電流為34.4 mA;

（2）濁度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時(shí)間為10 ms，工作電流為7.76 mA;

（3）溫度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時(shí)間為10 ms，工作電流為10 mA。

2.3 Web客戶端測(cè)試

在Web客戶端的界面地圖上可實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)據(jù)情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)高于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警提醒。Web客戶端地圖顯示如圖6所示。Web客戶端可實(shí)現(xiàn)一天、一周、一個(gè)月等數(shù)據(jù)的曲線分析，可直觀看出近期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的排污情況，數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)為當(dāng)前的城市污水排放監(jiān)測(cè)提供了一種新型方法，解決了傳統(tǒng)人工巡查方式人員成本、時(shí)間成本高和對(duì)不良企業(yè)偷排現(xiàn)象監(jiān)管效果差等問(wèn)題。通過(guò)一系列測(cè)試，本文系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)，以及在監(jiān)測(cè)中心Web客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警提醒等功能，可有效提高監(jiān)管效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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