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LoRa无线技术在无线水质传感器开发应用研究

2021-11-27杨永金

科技资讯 2021年25期
关键词:水质监测

杨永金

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-1214

摘  要:为了有效改善水质问题,解决监测过程的难题,可以将LoRa技术与无线水质传感器技术结合起来,将其连接到微控制器上,在传输模块汇集数据信息,并将其连接进入互联网中,实时更新数据库内容。采用此技术研发的水质传感器能够精确监测水质变化,操作简单、价格较低,能有效帮助养殖户降低水产养殖风险,节约成本。该文主要叙述了LoRa无线技术在无线水质传感器开发应用过程中的有效策略。

关键词:LoRa无线技术   无线水质传感器   开发应用策略   水质监测

中图分类号: TP212.6                     文献标识码:A文章编号:1672-3791(2021)09(a)-0001-03

Development and Application of LoRa Wireless Technology in Wireless Water Quality Sensor

YANG Yongjin

(Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen, Fujian Province, 361001 China)

Abstract: In order to effectively improve the water quality and solve the problems in the monitoring process, Lora technology can be combined with wireless water quality sensor technology, which can be connected to the microcontroller and collect data information in the transmission module, then connected to the Internet, and updated the database content in real time. The water quality sensor developed with this technology can accurately monitor the change of water quality, has simple operation and low price, and can effectively help farmers reduce aquaculture risks and save costs. This paper mainly describes the effective strategy of LoRa wireless technology in the development and application of wireless water quality sensor.

Key Words: LoRa wireless technology; Wireless water quality sensor; Develop application strategy; Water quality monitoring

水資源在工业发展、人类生产生活中发挥着重要的价值与应用,需要保护水资源,实时监控其污染程度,避免出现环境恶化问题,为未来发展奠定良好的基础。

1  LoRa技术概述分析与主要研究目标

LoRa技术是一种将扩频技术作为前提的无线传输技术之一,能够让用户完成远距离传输任务,降低通信过程的能耗状况。在设计协议时,充分考虑了节点功耗情况、网络容量大小、QoS和安全性等多个因素,使其能够实现双向通信、移动化办公的目标。在配置设计过程中,将省时省力原则贯彻到底,给使用者更广阔的的使用空间,符合水质监测领域的设计理念及要求,能够通过远程监控技术获得目标水域的水质信息状况[1]。

传感器能够将不同的LoRa结点连接起来,通过协议完成传输数据的目标。在LoRa水质监测领域,终端能够将采集的水质信息和终端地理信息结合起来,科学选用终端工作模式[2]。

2  水质监测信息采集与传输模块设计策略分析

2.1 基于LoRa技术的水质监测终端节点设计策略分析

首先,在选择水质监测参数及传感器时,可以运用全方位、多层次的遥感与控制技术,建设有针对性的水环境补偿机制,明确污染治理的重点环节,做好对饮用水水质的监控工作。在检测地表水时,主要监控几个重点指标,分别是水温、酸碱度、电导率、溶解氧程度、高锰酸钾含量及氨氮有机碳含量。可以选择常用的数字温度传感器监测水温变化情况,输出温度信号信息。该传感器的抗干扰能力较强,精确程度较高。在检测水质的清洁程度时,可以运用传感器将电信号转换成为模块电压信号输出,获得关于水质清澈程度的数据信息。

其次,可以在监测系统中安装定位传感器,获得水质情况的位置状态信息。北斗卫星导航系统是重要的全球卫星导航系统之一,能够在大范围内为用户提供更高精度、更强可靠程度的导航服务。该系统能够实现短报文通信能力,具有局部导航、定位和授时功能,模块精度较强,功耗较小,符合设计的基本要求,搜星速度较快,定位数据更加准确[3]。

2.2 基于LoRa技术的水质监测网关模块设计策略分析

网关模块设计主要是由树莓派构成的,这款电脑主板是由英国的慈善基金会研发的,运用5V/Micro USB的电源输入模式,具有连接Wi-Fi、USB、蓝牙、以太网等多个接口,开源软件资源十分丰富,能够满足网络的基本功能需求。在上传代码过程完成之后,可以发挥出LoRaWAN网关模块的智能,简化代码流程,做好对数据包的处理工作,避免将受到的传感数据信息直接转发给服务器。

2.3 基于LoRa技术的服务器网络架构分析

TTN、LoRa server等均为主要的LoRa服务器,在多个国家范围内具有十分重要的应用价值。TTN能够将低功耗设备连接到开源分散的网络系统当中,提高应用交换数据效率,扩展网络服务的范围,丰富网络系统的功能。

LoRaOT是物联网领域较早创建的企业之一,在各种业务模式之下都可以提供可扩展的、分布的应用程序软件。该运营过程在LoRa生态系统中拥有着独特的定位信息,能够与硬件产品直接接触,与软件服务系统集成,为物联网应用程序提供了完整的解决方案[3]。

3  水质监测系统设计与实现策略分析

3.1 水质监测系统的功能需求分析

在进行系统开发之前,需要详细调研用户的需求,明确系统需要解决的实际问题,提高系统成功的可能性。在完成需求分析之前,需要调研试验环境功能,将结果确定为运行平台、技术构架等多个维度,确保系统的使用率及满意程度能够符合调研要求。可以根据调研结果确定系统的详细功能,使其满足实验环境下的具体需求,根据可扩展性做好水质监测工作,根据后期实验需求完成增加、修改或者删除工作任务。

第一,可以将登录系统的用户身份分为普通用户和管理员用户两个部分,给不同用户以不同权限。例如:普通用户可以查看监控设备的地图数据、传感器监测数据及历史数据信息,管理员用户具有系统管理权限,能够设置检测设备、区域及阈值。在该系统中并未设置开放注册模块,需要提前给定用户的账号密码及权限信息,提高用户输入数据时的安全性。

第二,在水质监测系统中,需要将采集到的数据信息接入到数据库中,做好系统导入工作。经过传感器采集之后,传输系统能够根据地理位置信息将固定格式的水质信息上传到LoRa网关模块中。在收到数据包之后,网关能够向服务器转发、解析,并将其存储到MySOL数据库中。数据库可以通过数据库中的JDBC接口调用数据信息,将其完整地展示在水质监控系统的数据管理平台中[4]。

3.2 水质监测系统的详细设计策略分析

该系统将JAVA作为主要的编程语言,将多种框架整合起来。采用程序的分层控制模式能够主动承担起数据结构的创建行为,完成系统交互任务,向使用者呈现出相关数据信息,使其能够按照视图模块需求完成用户请求,有利于提高研发过程中的效率与质量。

在用户提出请求之后,水质监测客户端会向服务器发出请求,促使服务器快速处理客户端的表单请求信息,运用业务逻辑模块中的逻辑方法完成处理任务,将水质监测终端节点采集到的数据信息返回到JSP页面中,促使用户能够在浏览器中观察到请求页面信息[5]。

3.3 水质监测系统的系统显示功能分析

在实验过程中,传感器采集到的的空气湿度、水的酸碱度及温度等信息都会通过LoRa Server传输到数据库当中,运用调用数据库的方式将传感器中的数据信息展现出来,远程检测水环境情况。可以根据使用者的需求信息完善水质检测系统功能,对使用者进行分类,整合不同使用者的权限及系统资源信息,使其能够完成地图数据查询、区域数据查询、流域数据查询等任务[6]。

4  无线水质传感器设计原理分析

4.1 系统的硬件设计策略分析

在系统的硬件设计过程中,需要将微控制器作为整个站点的核心,使其能够连接其他所有的模块,将各种功能整合起来,运用低能耗的单片机结构,引入可编程存储器功能,确保在单芯片上具有灵巧的8位CPU。根据国内的海水水质标准,测定悬浮物质、酸碱度、化学耗氧量、溶解氧程度等多种有害物质信息,避免难分解有机物对水质产生较大影响。

4.2 系统的软件策略分析

在系统的软件设计中,需要根据传感器网络的采样点、站点及终点类型感知水质参数。采样点位于传感器的末梢部分,在连接水质传感器时具有十分重要的应用价值,能够将采集到的数据信息通过ZigBee无线传输模块发送出去。在搜集海洋数据时,站点属于关键节点种类之一,需要在设定时刻按照顺序读取覆盖区域的采样点信息,将其传输给重点,通过GPRS模块传输给互联网服务器。为了获得及时完整的數据信息,展现出系统强大的分析及展示功能,需要运用简易有效的开发环境,引入国家标准水质信息及数据,为实时水质数据提供参考范围,确保数据库的完整性,增强数据库的功能性与可靠性。

5  基于LoRa技术的无线水质传感器设计

XW-LORA-LEAK是一种运用LoRa技术进行自主研发的智能型无线传感器设计,密封性较好,具有良好的准确度及可靠度,能够灵敏地感知到外界状态信息,对指令做出快速回应。同时,安装该系统具有较高的方便快捷性,经过简单快速部署之后即可获得一个实用性较强的无线传感器设计系统。在通信基站、精密机房、图书馆、宾馆、饭店、展览馆、博物馆、粮库、仓库、城市排水、高楼等积水漏液监管的物联网行业应用场景中具有较大的应用价值。

该产品的特点主要叙述如下:第一,基于LoRa技术的无线传感器采用全密封设计结构,具有较高的精度及可靠性,反应灵敏,能够快速回应指令;第二,可以运用该产品检测水资源、低于30%的酸碱、重油、轻油等物质;第三,自动化漏水检测,方便查询统计;第四,可设置数据采集时间间隔,可作为有线采集系统的替代方案,每间隔15 min发送一次数据,电池可工作24个月;第五,该产品具有超低功耗,具有远程访问的功能,属于国家专利产品。

6  结语

为了解决水源污染问题,顺应监测距离较远的趋势,改善通信干扰性较大的问题,可以运用LoRa技术设计出一种水质数据监测传输系统,优化节点设计策略,最小化时间到达差,运用算法实现低能耗、准确定位的目标,提高管理效率。

参考文献

[1] 张铮,曹守启,朱建平,等.面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗LoRa传感器网络[J].农业工程学报,2019,35(1):164-171.

[2] 申志平,孙茜,王小艺,等.改进布谷鸟算法在水质传感器部署上的应用[J].电子技术应用,2020,46(3):76-79,85.

[3] 郑鹏,郭波,张森,等.水质化学需氧量检测能力验证结果分析[J].化学分析计量.2021,30(9):73-76.

[4] 赵明富,唐平,汤斌,等.主成分分析联合Fisher判别在紫外-可见光谱法水质检测中的应用[J].大气与环境光学学报,2018,13(6):436-446.

[5] 朱玙璠,王囝,吴越,等.提高水质检测的准确性与稳定性方法研究[J].食品安全导刊,2021(25):151-152.

[6] 夏文娟,王占辉,李彩云,等.2015年至2018年承德市双滦农村生活饮用水水质检测结果分析[J].河北医学,2019,25(12):2104-2108.

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