基于LoRa通信的城市河道污水排放监测系统设计

2019-07-25柯佩佩刘广伟程淑伟吴春玲吴亚斌冯蕾

物联网技术 2019年1期

柯佩佩刘广伟程淑伟吴春玲吴亚斌冯蕾

摘要：为解决传统河道污水排放监测方式中存在的弊端，文中提出了基于LoRa通信的城市河道污水排放监测系统。采用LoRa协议实现传感器节点与LoRaWAN网关之间的数据传输及命令控制，通过网关将数据发送给云端数据服务器，监测中心Web客户端从云端调取数据进行分析处理。在河道排污口安置LoRa终端节点，监管人员无需到达现场，只需通过监测中心Web客户端的数据分析及报警提醒等即可了解排污口情况。并在实际环境中对系统进行测试分析。测试结果表明，该系统实现了传输距离远、覆盖范围广、功耗低以及监测中心能够实时获取监测数据的设计目标。

关键词：物联网技术;低功耗;LoRa;污水排放监测

中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-03

0 引言

环境保护是社会的热点话题，如何进行高效的环境监管是目前监管部门致力解决的难点[1]。一直以来排污口的巡查管理主要依赖于人工巡查，而这种传统巡查方式人员成本、时间成本高[2-3]。同时违法企业在掌握了人工巡查的时间规律后，往往选择避开巡视人员的巡查偷偷排放，使污水排放无法实现有效监控[4]。

近几年来，物联网技术飞速发展，应用信息化智能管理成为各邻域的发展趋势[5-6]。其中具有低功耗、远距离传输特点的LoRa通信技术得到了广泛应用[7]。本文采用LoRa技术设计开发了城市河道污水排放监测系统，以解决传统人工巡查方式存在的弊端[8]。

1 监测系统设计

1.1 系统总体设计

本文系统分为感知层、数据传输层、网络层和应用层。LoRa终端节点安装在河道排污口监管区域，作为感知层，实时采集排污口的信息。LoRa终端节点通过LoRa协议将传感数据发送到LoRaWAN网关，网关将数据发送到云端服务器。在应用层，监测中心Web客户端通过云端服务器获取实时数据，并对数据信息进行分析处理，在网页上以图表等直观形式呈现给管理人员。管理人员通过观察报警提醒或Web客户端上记录的数据变化，能及时掌握排污口情况，节约了管理人员的巡查时间，提高了监管效率。系统总体设计如图1所示。

1.2 LoRa终端节点设计

终端节点是组成感知层LoRa节点网络的基本单元，负责数据采集和网关通信。本文系统设计的LoRa终端节点由STM32低功耗微处理器、LoRa通信模块SX1278、各类传感器、电池构成。LoRa终端节点结构如图2所示。

1.3 网关设计

由于LoRaWAN网关是连接终端节点与云端服务器的重要设备，需要强大的运算能力支撑网关。本文选用具有1 GHz主频和512 MB运行内存的树莓派处理器[9]，保证了网关并行处理数据的运算能力。网关系统采用的SX1301芯片具有高达-142.5 dBm的接收灵敏度[10]，具有49个虚拟通道以及可采用ADR技术等特点[11]。支持多信道多数据的并行处理，同时可以实现天线分集，有效降低同频干扰，提高抗干扰能力，实现更远距离的传输[12]。网关采用太阳能供电以提高网关部署的环境适应性、移动便携性。

1.4 Web客户端

2 测试结果

2.1 LoRaWAN网关性能测试

LoRaWAN网关作为向下连接LoRa终端节点、向上连接云服务器的中间枢纽，其数据传输时的丢包率和传输覆盖范围是关注的重点。故本文对这两项指标进行了测试，持续工作周期为30天，分别在空旷地区与密集建筑区进行了测试。

2.1.1 网关系统丢包率测试

2.1.2 网关的覆盖范围测试

LoRa通信模块在户外的覆盖范围对网关系统具有重要意义，分别在开阔地区和密集建筑区进行了测试。如图5（a）所示，在校区附近开阔地区进行了通信距离测试，网关天線位于A处，在B，C，D三个地点分别进行测试，测试结果见表2所列。

2.2 LoRa终端节点的功耗测试

2.2.1 休眠模式功耗测量

休眠参数是LoRa节点功耗测试的关键指标[13]，理论上SX1278的休眠电流为1 μA，STM32L休眠电流为560 nA，其他传感器设置为无工作时关闭。在实际测试中，LoRa模块发送数据结束后进入休眠状态，此时LoRa模块休眠电流为1.1 μA。

2.2.2 运行模式功耗测量

（1）酸碱度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为10 ms，工作电流为34.4 mA;