LoRa無(wú)線技術(shù)在無(wú)線水質(zhì)傳感器開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究

楊永金

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

摘? 要：為了有效改善水質(zhì)問(wèn)題，解決監(jiān)測(cè)過(guò)程的難題，可以將LoRa技術(shù)與無(wú)線水質(zhì)傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將其連接到微控制器上，在傳輸模塊匯集數(shù)據(jù)信息，并將其連接進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。采用此技術(shù)研發(fā)的水質(zhì)傳感器能夠精確監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，操作簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，能有效幫助養(yǎng)殖戶(hù)降低水產(chǎn)養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約成本。該文主要敘述了LoRa無(wú)線技術(shù)在無(wú)線水質(zhì)傳感器開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中的有效策略。

關(guān)鍵詞：LoRa無(wú)線技術(shù)? ?無(wú)線水質(zhì)傳感器? ?開(kāi)發(fā)應(yīng)用策略? ?水質(zhì)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP212.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

水資源在工業(yè)發(fā)展、人類(lèi)生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的價(jià)值與應(yīng)用，需要保護(hù)水資源，實(shí)時(shí)監(jiān)控其污染程度，避免出現(xiàn)環(huán)境惡化問(wèn)題，為未來(lái)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1? LoRa技術(shù)概述分析與主要研究目標(biāo)

LoRa技術(shù)是一種將擴(kuò)頻技術(shù)作為前提的無(wú)線傳輸技術(shù)之一，能夠讓用戶(hù)完成遠(yuǎn)距離傳輸任務(wù)，降低通信過(guò)程的能耗狀況。在設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)，充分考慮了節(jié)點(diǎn)功耗情況、網(wǎng)絡(luò)容量大小、QoS和安全性等多個(gè)因素，使其能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信、移動(dòng)化辦公的目標(biāo)。在配置設(shè)計(jì)過(guò)程中，將省時(shí)省力原則貫徹到底，給使用者更廣闊的的使用空間，符合水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)理念及要求，能夠通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)獲得目標(biāo)水域的水質(zhì)信息狀況[1]。

傳感器能夠?qū)⒉煌腖oRa結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，通過(guò)協(xié)議完成傳輸數(shù)據(jù)的目標(biāo)。在LoRa水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，終端能夠?qū)⒉杉乃|(zhì)信息和終端地理信息結(jié)合起來(lái)，科學(xué)選用終端工作模式[2]。

2? 水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息采集與傳輸模塊設(shè)計(jì)策略分析

2.1 基于LoRa技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)策略分析

首先，在選擇水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)及傳感器時(shí)，可以運(yùn)用全方位、多層次的遙感與控制技術(shù)，建設(shè)有針對(duì)性的水環(huán)境補(bǔ)償機(jī)制，明確污染治理的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，做好對(duì)飲用水水質(zhì)的監(jiān)控工作。在檢測(cè)地表水時(shí)，主要監(jiān)控幾個(gè)重點(diǎn)指標(biāo)，分別是水溫、酸堿度、電導(dǎo)率、溶解氧程度、高錳酸鉀含量及氨氮有機(jī)碳含量?？梢赃x擇常用的數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測(cè)水溫變化情況，輸出溫度信號(hào)信息。該傳感器的抗干擾能力較強(qiáng)，精確程度較高。在檢測(cè)水質(zhì)的清潔程度時(shí)，可以運(yùn)用傳感器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模塊電壓信號(hào)輸出，獲得關(guān)于水質(zhì)清澈程度的數(shù)據(jù)信息。

其次，可以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中安裝定位傳感器，獲得水質(zhì)情況的位置狀態(tài)信息。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，能夠在大范圍內(nèi)為用戶(hù)提供更高精度、更強(qiáng)可靠程度的導(dǎo)航服務(wù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)短報(bào)文通信能力，具有局部導(dǎo)航、定位和授時(shí)功能，模塊精度較強(qiáng)，功耗較小，符合設(shè)計(jì)的基本要求，搜星速度較快，定位數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確[3]。

2.2 基于LoRa技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)策略分析

網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)主要是由樹(shù)莓派構(gòu)成的，這款電腦主板是由英國(guó)的慈善基金會(huì)研發(fā)的，運(yùn)用5V/Micro USB的電源輸入模式，具有連接Wi-Fi、USB、藍(lán)牙、以太網(wǎng)等多個(gè)接口，開(kāi)源軟件資源十分豐富，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)的基本功能需求。在上傳代碼過(guò)程完成之后，可以發(fā)揮出LoRaWAN網(wǎng)關(guān)模塊的智能，簡(jiǎn)化代碼流程，做好對(duì)數(shù)據(jù)包的處理工作，避免將受到的傳感數(shù)據(jù)信息直接轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。

2.3 基于LoRa技術(shù)的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

TTN、LoRa server等均為主要的LoRa服務(wù)器，在多個(gè)國(guó)家范圍內(nèi)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。TTN能夠?qū)⒌凸脑O(shè)備連接到開(kāi)源分散的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，提高應(yīng)用交換數(shù)據(jù)效率，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的范圍，豐富網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能。

LoRaOT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域較早創(chuàng)建的企業(yè)之一，在各種業(yè)務(wù)模式之下都可以提供可擴(kuò)展的、分布的應(yīng)用程序軟件。該運(yùn)營(yíng)過(guò)程在LoRa生態(tài)系統(tǒng)中擁有著獨(dú)特的定位信息，能夠與硬件產(chǎn)品直接接觸，與軟件服務(wù)系統(tǒng)集成，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序提供了完整的解決方案[3]。

3? 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)策略分析

3.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求分析

在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之前，需要詳細(xì)調(diào)研用戶(hù)的需求，明確系統(tǒng)需要解決的實(shí)際問(wèn)題，提高系統(tǒng)成功的可能性。在完成需求分析之前，需要調(diào)研試驗(yàn)環(huán)境功能，將結(jié)果確定為運(yùn)行平臺(tái)、技術(shù)構(gòu)架等多個(gè)維度，確保系統(tǒng)的使用率及滿意程度能夠符合調(diào)研要求?？梢愿鶕?jù)調(diào)研結(jié)果確定系統(tǒng)的詳細(xì)功能，使其滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的具體需求，根據(jù)可擴(kuò)展性做好水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)后期實(shí)驗(yàn)需求完成增加、修改或者刪除工作任務(wù)。

第一，可以將登錄系統(tǒng)的用戶(hù)身份分為普通用戶(hù)和管理員用戶(hù)兩個(gè)部分，給不同用戶(hù)以不同權(quán)限。例如：普通用戶(hù)可以查看監(jiān)控設(shè)備的地圖數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)信息，管理員用戶(hù)具有系統(tǒng)管理權(quán)限，能夠設(shè)置檢測(cè)設(shè)備、區(qū)域及閾值。在該系統(tǒng)中并未設(shè)置開(kāi)放注冊(cè)模塊，需要提前給定用戶(hù)的賬號(hào)密碼及權(quán)限信息，提高用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)時(shí)的安全性。

第二，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要將采集到的數(shù)據(jù)信息接入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，做好系統(tǒng)導(dǎo)入工作。經(jīng)過(guò)傳感器采集之后，傳輸系統(tǒng)能夠根據(jù)地理位置信息將固定格式的水質(zhì)信息上傳到LoRa網(wǎng)關(guān)模塊中。在收到數(shù)據(jù)包之后，網(wǎng)關(guān)能夠向服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)、解析，并將其存儲(chǔ)到MySOL數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的JDBC接口調(diào)用數(shù)據(jù)信息，將其完整地展示在水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中[4]。

3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)策略分析

該系統(tǒng)將JAVA作為主要的編程語(yǔ)言，將多種框架整合起來(lái)。采用程序的分層控制模式能夠主動(dòng)承擔(dān)起數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建行為，完成系統(tǒng)交互任務(wù)，向使用者呈現(xiàn)出相關(guān)數(shù)據(jù)信息，使其能夠按照視圖模塊需求完成用戶(hù)請(qǐng)求，有利于提高研發(fā)過(guò)程中的效率與質(zhì)量。

在用戶(hù)提出請(qǐng)求之后，水質(zhì)監(jiān)測(cè)客戶(hù)端會(huì)向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，促使服務(wù)器快速處理客戶(hù)端的表單請(qǐng)求信息，運(yùn)用業(yè)務(wù)邏輯模塊中的邏輯方法完成處理任務(wù)，將水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息返回到JSP頁(yè)面中，促使用戶(hù)能夠在瀏覽器中觀察到請(qǐng)求頁(yè)面信息[5]。

3.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)顯示功能分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器采集到的的空氣濕度、水的酸堿度及溫度等信息都會(huì)通過(guò)LoRa Server傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，運(yùn)用調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的方式將傳感器中的數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)出來(lái)，遠(yuǎn)程檢測(cè)水環(huán)境情況?？梢愿鶕?jù)使用者的需求信息完善水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)功能，對(duì)使用者進(jìn)行分類(lèi)，整合不同使用者的權(quán)限及系統(tǒng)資源信息，使其能夠完成地圖數(shù)據(jù)查詢(xún)、區(qū)域數(shù)據(jù)查詢(xún)、流域數(shù)據(jù)查詢(xún)等任務(wù)[6]。

4? 無(wú)線水質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)原理分析

4.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)策略分析

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將微控制器作為整個(gè)站點(diǎn)的核心，使其能夠連接其他所有的模塊，將各種功能整合起來(lái)，運(yùn)用低能耗的單片機(jī)結(jié)構(gòu)，引入可編程存儲(chǔ)器功能，確保在單芯片上具有靈巧的8位CPU。根據(jù)國(guó)內(nèi)的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定懸浮物質(zhì)、酸堿度、化學(xué)耗氧量、溶解氧程度等多種有害物質(zhì)信息，避免難分解有機(jī)物對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

4.2 系統(tǒng)的軟件策略分析

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的采樣點(diǎn)、站點(diǎn)及終點(diǎn)類(lèi)型感知水質(zhì)參數(shù)。采樣點(diǎn)位于傳感器的末梢部分，在連接水質(zhì)傳感器時(shí)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊發(fā)送出去。在搜集海洋數(shù)據(jù)時(shí)，站點(diǎn)屬于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)種類(lèi)之一，需要在設(shè)定時(shí)刻按照順序讀取覆蓋區(qū)域的采樣點(diǎn)信息，將其傳輸給重點(diǎn)，通過(guò)GPRS模塊傳輸給互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。為了獲得及時(shí)完整的數(shù)據(jù)信息，展現(xiàn)出系統(tǒng)強(qiáng)大的分析及展示功能，需要運(yùn)用簡(jiǎn)易有效的開(kāi)發(fā)環(huán)境，引入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)信息及數(shù)據(jù)，為實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)提供參考范圍，確保數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能性與可靠性。

5? 基于LoRa技術(shù)的無(wú)線水質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)

XW-LORA-LEAK是一種運(yùn)用LoRa技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)的智能型無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)，密封性較好，具有良好的準(zhǔn)確度及可靠度，能夠靈敏地感知到外界狀態(tài)信息，對(duì)指令做出快速回應(yīng)。同時(shí)，安裝該系統(tǒng)具有較高的方便快捷性，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單快速部署之后即可獲得一個(gè)實(shí)用性較強(qiáng)的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在通信基站、精密機(jī)房、圖書(shū)館、賓館、飯店、展覽館、博物館、糧庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、城市排水、高樓等積水漏液監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

該產(chǎn)品的特點(diǎn)主要敘述如下：第一，基于LoRa技術(shù)的無(wú)線傳感器采用全密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有較高的精度及可靠性，反應(yīng)靈敏，能夠快速回應(yīng)指令;第二，可以運(yùn)用該產(chǎn)品檢測(cè)水資源、低于30%的酸堿、重油、輕油等物質(zhì);第三，自動(dòng)化漏水檢測(cè)，方便查詢(xún)統(tǒng)計(jì);第四，可設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，可作為有線采集系統(tǒng)的替代方案，每間隔15 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，電池可工作24個(gè)月;第五，該產(chǎn)品具有超低功耗，具有遠(yuǎn)程訪問(wèn)的功能，屬于國(guó)家專(zhuān)利產(chǎn)品。

6? 結(jié)語(yǔ)

為了解決水源污染問(wèn)題，順應(yīng)監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)的趨勢(shì)，改善通信干擾性較大的問(wèn)題，可以運(yùn)用LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)出一種水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)策略，最小化時(shí)間到達(dá)差，運(yùn)用算法實(shí)現(xiàn)低能耗、準(zhǔn)確定位的目標(biāo)，提高管理效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 張錚，曹守啟，朱建平，等.面向大面積漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)距離低功耗LoRa傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（1）：164-171.

[2] 申志平，孫茜，王小藝，等.改進(jìn)布谷鳥(niǎo)算法在水質(zhì)傳感器部署上的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46（3）：76-79，85.

[3] 鄭鵬，郭波，張森，等.水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測(cè)能力驗(yàn)證結(jié)果分析[J].化學(xué)分析計(jì)量.2021，30（9）：73-76.

[4] 趙明富，唐平，湯斌，等.主成分分析聯(lián)合Fisher判別在紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2018，13（6）：436-446.

[5] 朱玙璠，王囝，吳越，等.提高水質(zhì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性方法研究[J].食品安全導(dǎo)刊，2021（25）：151-152.

[6] 夏文娟，王占輝，李彩云，等.2015年至2018年承德市雙灤農(nóng)村生活飲用水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果分析[J].河北醫(yī)學(xué)，2019，25（12）：2104-2108.