基于LoRa的低功耗無(wú)線水質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)與研究

楊永金

【摘要】? ? 水質(zhì)環(huán)境變化多端，需要運(yùn)用新型傳感器完成對(duì)水環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)殖的目標(biāo)。本文主要敘述了基于LoRa的低功耗無(wú)線水質(zhì)傳感器的有效設(shè)計(jì)策略。

【關(guān)鍵詞】? ? LoRa技術(shù)? ? 無(wú)線水質(zhì)傳感器? ? 低功耗系統(tǒng)

水環(huán)境受到了較大的污染導(dǎo)致水域環(huán)境質(zhì)量較差。需要做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，運(yùn)用LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)出無(wú)線水質(zhì)傳感器系統(tǒng)，提高對(duì)水質(zhì)情況的分析效率。

一、基于LoRa低功耗無(wú)線水質(zhì)傳感器的設(shè)計(jì)意圖分析

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況變化，可以使水產(chǎn)養(yǎng)殖戶隨時(shí)隨地了解養(yǎng)殖水體水質(zhì)變化情況，即可降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，還可以研究水質(zhì)變化規(guī)律，總結(jié)出適合的養(yǎng)殖技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。近幾年國(guó)內(nèi)已有多家公司推出物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備與產(chǎn)品，但是總體來(lái)說(shuō)基本都存在設(shè)備昂貴、安裝維護(hù)困難、成本高等問(wèn)題?；趌ora的低功耗無(wú)線水質(zhì)傳感器大大簡(jiǎn)化了設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)，不但可以大大降低成本，更重要的意義在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)非常容易，適合大量推廣。可以將該技術(shù)應(yīng)用于廣大中小水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中，如池塘養(yǎng)殖、高位池養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、工廠化養(yǎng)殖等。

目前物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以敘述如下。第一，設(shè)備集成型，將水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、電源、通信集成在一個(gè)配電箱中。第二，物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀產(chǎn)品，包括主機(jī)岸邊安裝、傳感器放于水池中、主機(jī)和傳感器整體這兩個(gè)主要部分，使用時(shí)整機(jī)放置于水池中。同時(shí)，兩種類型的產(chǎn)品通信模式主要是采用2G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

目前國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)有一部分開(kāi)始采用網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，但由于價(jià)格高、設(shè)備維護(hù)困難等因素，限制了這些設(shè)備的推廣，能夠使用的養(yǎng)殖戶有限。目前遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的價(jià)格低則幾千，高則上萬(wàn)，有能力購(gòu)買的養(yǎng)殖戶比較少，目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖戶使用率不足1%;雖然市場(chǎng)對(duì)遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的需求不少，但目前的價(jià)格決定了市場(chǎng)規(guī)模還不夠支持商家在各個(gè)地區(qū)建立自己的營(yíng)銷及售后網(wǎng)絡(luò)，因此代理商是目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的銷售及售后渠道，而產(chǎn)品維護(hù)的困難程度及專業(yè)需求使得代理商比較難以完成好這一工作，這反過(guò)來(lái)也降低了代理商銷售的意愿。

雖然遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可以降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益，但種種因素限制了產(chǎn)品的推廣，用戶本身對(duì)產(chǎn)品還有更高的期望?；趌ora的水質(zhì)傳感器，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、維護(hù)的難度都很低，用戶自己都可以完成這些工作，另外，由于成本的降低，購(gòu)置、使用門檻降低，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后可以大量推廣，使廣大中小養(yǎng)殖戶受益。

二、基于LoRa的低功耗無(wú)線水質(zhì)傳感器主要?jiǎng)?chuàng)新內(nèi)容分析

將水質(zhì)傳感器、lora通信、傳感器采集電路、電源管理、電池模塊集成在一起，形成一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)基站或數(shù)據(jù)集中器。該產(chǎn)品的特點(diǎn)可以被敘述如下，第一，采用電池供電的方式，產(chǎn)品功耗低，使用過(guò)程無(wú)需更換電池。第二，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是融合了多個(gè)學(xué)科知識(shí)技術(shù)，產(chǎn)品的安裝使用都可以由用戶自己完成，使用方便快捷。第三，國(guó)內(nèi)已有無(wú)線水質(zhì)傳感器主要是基于zigbee系統(tǒng)，lora相對(duì)其它無(wú)線局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)覆蓋面積大、遮擋物穿透力強(qiáng)，更適合應(yīng)用場(chǎng)景，具有更大的應(yīng)用潛力與應(yīng)用空間。

本系統(tǒng)主要采用基于stm32L051與lora模塊開(kāi)發(fā)3種無(wú)線水質(zhì)傳感器，傳感器使用1節(jié)3.6V900mAH的電池供電，傳感器采用每隔10或15分鐘采集一次數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)集中器發(fā)送到云服務(wù)器上，用戶通過(guò)APP 進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，傳感器在不發(fā)送數(shù)據(jù)期間處于休眠狀態(tài)，傳感器平均功耗小于30uA時(shí)，1節(jié)電池使用時(shí)間達(dá)2年以上。經(jīng)過(guò)各種傳感器50套以上的樣機(jī)試制及實(shí)地使用經(jīng)驗(yàn)，傳感器硬件電路和程序能夠更加完善。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有：第一，各模塊功能的設(shè)計(jì)須綜合考慮各種工作環(huán)境，具有高可靠性。第二，傳感器電路集成信號(hào)處理、lora通信、主控、電源管理，以stm32L051單片機(jī)作為系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)采集及控制的核心。第三，lora通信問(wèn)題，與集中器的通信距離不低于1.5Km，信號(hào)穩(wěn)定，不掉線。第四，由于所處的環(huán)境惡劣，整個(gè)系統(tǒng)須具有高電磁兼容性、防水、防潮、防曬、防腐。

該系統(tǒng)有望應(yīng)用于廣大中小水產(chǎn)養(yǎng)殖戶，如水庫(kù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖、工廠化養(yǎng)殖、高位池養(yǎng)殖。各養(yǎng)殖戶可根據(jù)實(shí)際需要，選擇相應(yīng)指標(biāo)的無(wú)線傳感器。

三、基于LoRa的低功耗無(wú)線水質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)的主要思路分析

3.1將無(wú)線水質(zhì)傳感器作為重要節(jié)點(diǎn)

首先，傳感器包括傳感器信號(hào)處理、電源管理、lora通信模塊并以stm32L051單片機(jī)作為控制核心。其次，需要做好設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件和軟件的工作，主要框架如下圖1所示。

再次，主控stm32L051控制電源管理，其它模塊有主控決定何時(shí)供電，能夠控制電量消耗狀況。需要自主研制溶氧水溫傳感器、pH及orp傳感器，提升其在市場(chǎng)上運(yùn)用的成熟程度。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)自主完成對(duì)電路的設(shè)計(jì)與板載程序的設(shè)計(jì)，由團(tuán)隊(duì)及第三方共同設(shè)計(jì)完成無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)及殼體。最后，經(jīng)過(guò)不斷的修改與完善，無(wú)線傳感器樣機(jī)應(yīng)用于實(shí)際的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中調(diào)試結(jié)果較好，最終獲得一套可量產(chǎn)推廣的產(chǎn)品方案及各傳感器樣機(jī)及完整的產(chǎn)品方案。

3.2 lora集中器

集中器作為無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)的中心，集中器通過(guò)gprs或4G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接。同時(shí)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與集中器形成無(wú)線局域網(wǎng)，因采用私有l(wèi)ora通信協(xié)議，局域網(wǎng)系統(tǒng)保證多節(jié)點(diǎn)分時(shí)上報(bào)，以免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)生空中碰撞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。LoRa集中器部分運(yùn)用串行接口與外部設(shè)備相結(jié)合的方式完成數(shù)據(jù)及指令的交互功能，有效縮短了通訊所需的距離與實(shí)踐，使得待機(jī)電流維持在較低水平，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

在水質(zhì)傳感器的節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，需要確保傳感器的探頭安裝點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間維持一定的通信距離，避免因共模電壓、接地點(diǎn)差別等因素產(chǎn)生的信號(hào)干擾較強(qiáng)等弊端，在設(shè)計(jì)電路時(shí)將電源及數(shù)據(jù)通信過(guò)程隔離起來(lái)，避免串入過(guò)程的發(fā)生，切實(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的可靠性與有序性。數(shù)據(jù)通信總線上安裝有多個(gè)機(jī)收發(fā)器，能夠確保多個(gè)傳感器之間的通信過(guò)程，將微小的數(shù)字隔離器安裝到通信電路當(dāng)中，展現(xiàn)出隔離器出眾的特點(diǎn)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

3.3服務(wù)器及軟件系統(tǒng)

首先，在通信服務(wù)方面，可以運(yùn)用Modbus協(xié)議訪問(wèn)傳感器，完成長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。該協(xié)議在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分廣闊的應(yīng)用空間，具備標(biāo)準(zhǔn)化程度較高、開(kāi)放性與兼容性較強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)，能夠提高幀格式的穩(wěn)定性與可靠性，提高讀取數(shù)據(jù)的效率與質(zhì)量。在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的收集工作之后，可以將節(jié)點(diǎn)序號(hào)、工作模式及故障狀態(tài)結(jié)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)有效整合之后轉(zhuǎn)發(fā)給LoRa模塊，將其傳遞給水質(zhì)檢測(cè)部門，提高檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的效率，順利完成數(shù)據(jù)分析工作任務(wù)。其次，在節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程中，STM32會(huì)在上電完成之后立即完成設(shè)備初始化任務(wù)，將LoRa模塊接入外網(wǎng)。在聯(lián)網(wǎng)成功之后，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息會(huì)被依次讀取，監(jiān)測(cè)電源工作的基本狀態(tài)，確定科學(xué)合理的系統(tǒng)工作模式。在此過(guò)程中，需要設(shè)置好RTC定時(shí)工作參數(shù)，將數(shù)據(jù)打包之后由LoRa模塊遠(yuǎn)程發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，避免定時(shí)器進(jìn)入休眠狀態(tài)。在并未產(chǎn)生定時(shí)中斷時(shí)，需要確保節(jié)點(diǎn)時(shí)刻處于休眠狀態(tài)中，在定時(shí)器中斷之后完成喚醒任務(wù)，以便快速進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的工作循環(huán)中。在通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)信息會(huì)在STM32處獲得指令信息，等待傳感器的回應(yīng)。若在最大響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)，傳感器并未作出回應(yīng)，需要作出關(guān)于傳感器故障的判斷。若傳感器做出了回應(yīng)，可以校驗(yàn)數(shù)據(jù)的冗余性信息。在校驗(yàn)失敗之后，可以重新運(yùn)行上傳機(jī)制，當(dāng)上傳次數(shù)大于設(shè)定值時(shí)，即可判定傳感器工作狀態(tài)異常，產(chǎn)生了故障。在通信過(guò)程結(jié)束之后，可以將傳感器的數(shù)據(jù)信息、故障狀態(tài)信息及其他數(shù)據(jù)信息合并起來(lái)，一并上傳。最后，水質(zhì)變化速率較低，需要確定科學(xué)合理的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻次，有效降低水質(zhì)傳感器的功耗情況。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于不工作的休眠狀態(tài)時(shí)，需要自動(dòng)喚醒節(jié)點(diǎn)，使其快速切換到工作狀態(tài)。在此過(guò)程中，可以根據(jù)電源狀態(tài)信息將節(jié)點(diǎn)的工作情況分為不同模式，確保充電的充足程度。

3.4將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)

運(yùn)用硬件模塊可以將數(shù)據(jù)信息上傳到云平臺(tái)中，確保數(shù)據(jù)上傳協(xié)議的科學(xué)合理性。報(bào)文具有版本號(hào)、報(bào)文類型、TKL標(biāo)志符號(hào)、相應(yīng)代碼及報(bào)文編號(hào)幾種標(biāo)志。CoAP協(xié)議具有多種不同類型的報(bào)文，如CON報(bào)文、NON報(bào)文、ACK報(bào)文及RST報(bào)文等，需要根據(jù)所需的服務(wù)質(zhì)量確定報(bào)文類型。網(wǎng)關(guān)能夠完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)一上傳任務(wù)，可以采取重發(fā)的方式有效降低丟包率，運(yùn)用動(dòng)態(tài)鑒權(quán)信息完成鑒別任務(wù)，將訪問(wèn)資源類型、過(guò)期時(shí)間數(shù)據(jù)、簽名策略等參數(shù)考慮其中，獲得準(zhǔn)確的Token值。該計(jì)算過(guò)程具有動(dòng)態(tài)性，需要根據(jù)過(guò)期時(shí)間選擇合理的設(shè)置結(jié)果，提高系統(tǒng)工作的安全性能，及時(shí)確定請(qǐng)求參數(shù)信息及負(fù)載媒體的類別。

四、系統(tǒng)的性能測(cè)試與分析

首先，在能耗測(cè)試方面，通信模塊和水質(zhì)傳感器模塊的耗能較高，需要經(jīng)過(guò)測(cè)試之后獲得關(guān)于LoRa模塊的工作狀態(tài)信息，獲得電流脈沖圖。采樣電阻會(huì)串聯(lián)到LoRa模塊的電源正極及負(fù)極上，確保采樣電壓及脈沖維持在40、150mV水平上，計(jì)算得脈沖周期為10分鐘，平均電流大小為0.95微安，明顯小于理論計(jì)算值，整體能耗比理論情況下低。

其次，在低傳輸信息應(yīng)用場(chǎng)景中，LoRa技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可以將發(fā)送信息量維持在幾個(gè)字節(jié)之內(nèi)。運(yùn)用線性調(diào)頻的方式能夠有效降低像頻的低功耗，增加通信距離與實(shí)踐，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作質(zhì)量與效率，有效排出多種干擾。帶寬、擴(kuò)頻參數(shù)及碼率都會(huì)參與到該技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中，需要合理調(diào)整各個(gè)參數(shù)的信息，提高信號(hào)持續(xù)傳輸時(shí)間，調(diào)整波特率與擴(kuò)頻因子之間維持合理關(guān)系。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)出的無(wú)線水質(zhì)傳感器能夠有效提高信息傳輸效率，降低系統(tǒng)能耗、增大通信距離，獲得良好的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果?？梢詫⑦x擇低功耗器件、電路、提高通信過(guò)程的優(yōu)化效率等步驟結(jié)合起來(lái)，完成遠(yuǎn)距離的信息采集任務(wù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷優(yōu)化服務(wù)器及軟硬件系統(tǒng)的工作性能，將LoRa技術(shù)作為重要節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)中。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]劉輝席，楊禎，朱珠，劉守印.基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（07）：243-247.

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