楊一博　張峻箐　張志儉

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)廣覆蓋與低功耗等問題，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以LoRa-SX1278芯片作為通信模塊，STM32F103RCT6作為節(jié)點(diǎn)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(cè)終端查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，評(píng)估覆蓋流域水質(zhì)情況，對(duì)水質(zhì)污染現(xiàn)象及重大事故進(jìn)行預(yù)警，以降低水質(zhì)污染帶來的風(fēng)險(xiǎn)與危害。根據(jù)野外復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)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(diǎn)可在1 200 m范圍內(nèi)達(dá)到小于9%的丟包率;在使用6 000 mA·h電池，每一小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并上傳的情況下，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間理論上可達(dá)到30個(gè)月。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)據(jù)采集，對(duì)河流水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究有一定參考價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2020）03-00-04

0 引 言

隨著人口的增長以及社會(huì)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(yán)重等問題是對(duì)我國水質(zhì)檢測(cè)工作的一項(xiàng)嚴(yán)峻考驗(yàn)。我國水資源在地區(qū)分布和季節(jié)分配等方面嚴(yán)重不均勻[1-2]，所以提高有限水資源的利用率是整個(gè)社會(huì)的責(zé)任。對(duì)溫度、pH值、濁度、溶氧等能夠反映水質(zhì)狀況的綜合指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)都在水資源的保護(hù)與合理利用方面有著重要的地位。美國在20世紀(jì)50年代到80年代間投入了大量資金，建立了具有上萬個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的國家水質(zhì)檢測(cè)網(wǎng)[3];在20世紀(jì)80年代之后，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入發(fā)達(dá)階段，自動(dòng)化程度不斷提高。我國在

20世紀(jì)70年代前對(duì)各水域的化學(xué)成分進(jìn)行了研究，之后建立了各流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)[4]，但系統(tǒng)多以人工監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為主，人工監(jiān)測(cè)站點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、多指標(biāo)的檢測(cè)，但由于建立成本較高，只能對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)域性監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場工作量大，并且無法進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)化監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與人工監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相結(jié)合，但目前的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸或是使用運(yùn)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(cè)方面的情況，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，我們必須找到更適合當(dāng)下情況的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文提出了一種采用LoRa搭建河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，能同時(shí)滿足低功耗與廣覆蓋兩方面需求，對(duì)大流域面積的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于偏僻地區(qū)流域水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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

（1）終端節(jié)點(diǎn)由水質(zhì)檢測(cè)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(biāo)，利用LoRa模塊上傳數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)定時(shí)（或收到網(wǎng)關(guān)指令時(shí)）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(fù)責(zé)接收來自服務(wù)器的指令，并將來自多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)對(duì)下屬接入設(shè)備進(jìn)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(cè)終端。

（4）用戶通過登錄監(jiān)測(cè)終端隨時(shí)掌握相關(guān)流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估水質(zhì)情況，對(duì)可能的污染情況或重大事故進(jìn)行及時(shí)預(yù)警或應(yīng)急評(píng)估。

這四部分相鄰層級(jí)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(diǎn)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(cè)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(dāng)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(lán)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(shì)[12-13]。在進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)不依賴運(yùn)營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)，有較低的建網(wǎng)成本且不會(huì)局限于運(yùn)營商信號(hào)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(hù)成本。

LoRaWAN采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，架構(gòu)中的LoRa網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)透明中繼，負(fù)責(zé)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?fù)?，星型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在大范圍部署時(shí)具有更低的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜度和更低的能耗[15]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控器

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

2.2 LoRa模塊

本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)采用遠(yuǎn)程通信射頻芯片SX1278，其有8個(gè)上行信道和1個(gè)下行信道;靈敏度可達(dá)-148 dBm，最遠(yuǎn)通信距離長達(dá)15 km，鏈路預(yù)算最大168 dB;具有5個(gè)通信引腳，與主控器通過UART（TXD，RXD）接口進(jìn)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(diǎn)的遠(yuǎn)近可調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，從而平衡傳輸速率與穩(wěn)定性。SX1278工作模式見表1所列。

2.3 傳感器模塊

節(jié)點(diǎn)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(shí)接入濁度、水位、pH值和溫度四種傳感器。終端節(jié)點(diǎn)使用的傳感器見表2所列。

2.4 終端節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shí)的功耗及系統(tǒng)維護(hù)成本，解決野外供電不方便的問題。終端節(jié)點(diǎn)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(jì)生產(chǎn)的ESP8266模塊，內(nèi)置32位超低功耗Tensilica處理器，集成了標(biāo)準(zhǔn)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(jì)。與處理器采用串口通信，下位機(jī)可以使用AT指令對(duì)其進(jìn)行配置與數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)

處理器啟動(dòng)后首先對(duì)其外設(shè)以及傳感器與SX1278模塊進(jìn)行初始化，進(jìn)行系統(tǒng)自檢以確保初始化正常。然后對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)入待機(jī)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(dòng)后進(jìn)行初始化，然后通過AT指令對(duì)WiFi模塊進(jìn)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(jìn)入正常的水質(zhì)監(jiān)測(cè)周期，每隔一定時(shí)間喚醒各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(qǐng)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(shí)，例如更變監(jiān)測(cè)周期、上傳各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)或臨時(shí)采集當(dāng)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(cè)平臺(tái)

河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以分為三個(gè)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(cè)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(fù)責(zé)所有設(shè)備和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理;用戶可以從監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)看到河流各類水質(zhì)的變化，也可以對(duì)某些關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行閾值設(shè)置，從而在觸發(fā)報(bào)警時(shí)及時(shí)做出應(yīng)對(duì)。用戶可以對(duì)網(wǎng)關(guān)及其下屬節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

4 實(shí)際測(cè)試

4.1 終端節(jié)點(diǎn)功耗計(jì)算

在無確認(rèn)傳輸下考慮LoRaWAN的終端節(jié)點(diǎn)功耗模

型[16]，定義TNotif作為兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸周期的間隔時(shí)間，Ti和Ii分別代表狀態(tài)i的持續(xù)時(shí)間和電流功耗。從而可以由式（1）計(jì)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(jì)算終端節(jié)點(diǎn)的有效生存期Tlifetime_unACK：

（2）

通過測(cè)試終端節(jié)點(diǎn)各階段的實(shí)時(shí)工作電流大小，以使用6 000 mA·h電池每一小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并上傳為例，單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的有效生存期理論上可達(dá)30個(gè)月。

4.2 通信穩(wěn)定性測(cè)試

在野外有明顯障礙物的情況下進(jìn)行通信距離測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)包大小為10 B，共發(fā)送100個(gè)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(shí)的丟包率由圖7可知，丟包率會(huì)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(yuǎn)距離時(shí)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(jī)制，添加下行ACK報(bào)文與終端節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)重傳功能，保證數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)化河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的功耗高、難以廣域覆蓋等問題，設(shè)計(jì)了一套基于LoRa的河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)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(dá)到18個(gè)月。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)在

1 000 m的通信范圍內(nèi)采用快速重傳機(jī)制可保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案，本文提出的設(shè)計(jì)可以更好地應(yīng)用于野外廣流域范圍內(nèi)的長時(shí)間自動(dòng)化水質(zhì)數(shù)據(jù)收集，為解決河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)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。

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