基于LoRa的港口大氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫瑞軒，李洪波，郝虎全，肖 磊

(河北省自動化研究所有限公司，河北 石家莊 050081)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對煤炭等礦石資源的需求不斷增加。煤炭作為港口吞吐的重要貨物之一，吞吐量逐年遞增。2020年河北省唐山、黃驊、秦皇島三大港口和天津港共完成煤炭下水量7.1億噸，其中黃驊港煤炭下水量同比增長4.3%[1]。煤炭和金屬礦石等散物料在輸送機(jī)、翻車機(jī)和堆取料機(jī)等作業(yè)點(diǎn)易引起揚(yáng)塵[2]，這些逸散到大氣的粉塵顆粒極易污染空氣，已成為造成港口地區(qū)大氣污染的重要因素。隨著科技的不斷發(fā)展，一些先進(jìn)技術(shù)的利用能夠?qū)ξ廴局卫砗铜h(huán)境保護(hù)等方面產(chǎn)生積極的影響。在“一帶一路”的倡議背景下，港口不斷地向信息化、多元化和個性化的方向發(fā)展，將先進(jìn)技術(shù)與大氣污染監(jiān)測防治結(jié)合起來，能更好地滿足港口大氣污染監(jiān)測治理的具體需要。LoRa擴(kuò)頻技術(shù)具有低功耗、低成本、可遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，能較好地解決WiFi、藍(lán)牙和ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)中存在的低功耗和長距離傳輸之間的矛盾[3]，而且該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于電力、工業(yè)制造、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域[4-6]。因此，本文基于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)設(shè)計(jì)了一套自組網(wǎng)方式的港口大氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)，可解決傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離短和現(xiàn)場布線難的問題，實(shí)現(xiàn)對港口區(qū)域大氣污染的網(wǎng)格化監(jiān)控，并為港口環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化、智能化提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的港口大氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器平臺和監(jiān)控中心管理系統(tǒng)四部分組成。其中數(shù)據(jù)采集終端以粉塵濃度傳感器、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫濕度傳感器為核心，對港口大氣污染物濃度和周邊環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集，運(yùn)用LoRa擴(kuò)頻通訊技術(shù)，采用自組網(wǎng)形式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線傳輸，采集終端由太陽能供電；數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)運(yùn)用LoRa擴(kuò)頻通訊技術(shù)可獲取各個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)平臺；云服務(wù)平臺依托現(xiàn)有成熟云平臺的搭建，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸；監(jiān)控中心管理系統(tǒng)以“港口大氣污染監(jiān)控”軟件為核心，集成了監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)曲線顯示和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集終端地理信息顯示等功能。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對港口大氣污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可為港口環(huán)保部門提供監(jiān)管數(shù)據(jù)，為制定合理有效的防治措施提供數(shù)據(jù)支撐，對于保護(hù)港口及周邊大氣環(huán)境，促進(jìn)港口地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的推動作用。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)采集終端主要用于實(shí)現(xiàn)對港口大氣污染物濃度和周邊環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)的處理。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端作為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)終端，以鋼制支架為載體，采用太陽能供電方式為終端供電，同時(shí)集成了粉塵濃度傳感器、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀和溫濕度傳感器，運(yùn)用LoRa擴(kuò)頻通訊技術(shù)可將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸。太陽能供電系統(tǒng)主要包括太陽能電池板、太陽能充放電控制器和蓄電池，其中太陽能電池板采用單晶硅電池片，功率為10W，太陽能充放電控制器采用串聯(lián)式PWM充電管理，12V/24V自動識別，太陽能蓄電池規(guī)格12V24Ah；粉塵濃度傳感器基于激光散射原理實(shí)現(xiàn)對粉塵顆粒物濃度的精準(zhǔn)測量，可實(shí)時(shí)輸出顆粒物濃度值并支持連續(xù)采集，對PM2.5顆粒物濃度有效量程為0～500μg/m3，顆粒物質(zhì)量濃度分辨率1μg/m3；風(fēng)速儀殼體材質(zhì)為聚碳酸酯，測量范圍0～60m/s，分辨率0.1m/s；風(fēng)向儀材質(zhì)為聚碳酸酯，量程0～359.9°；溫濕度傳感器具有IP65防護(hù)等級，溫度量程-40℃～+60℃，溫度精度±0.5℃，濕度量程0%RH～80%RH，濕度精度±3%RH；LoRa串口DTU，供電電壓5V～36V，支持410MHz～510MHz頻段信號。上述傳感器和設(shè)備均支持RS485通信，支持ModBus-RTU協(xié)議。數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成示意圖

為保證LoRa自組網(wǎng)的便捷性、安全性和可靠性，數(shù)據(jù)采集終端數(shù)傳模塊選用有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的USR-LG206-L-C LoRa串口DTU，該款設(shè)備是一款支持?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(集中器)通訊協(xié)議的低頻半雙工LoRa串口DTU，可通過RS232/485方式外掛多傳感器，并可將傳感器數(shù)據(jù)通過LoRa與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信，理論最大通信距離可達(dá)10km。USR-LG206-L-C DTU支持3種工作模式，其基本功能框圖如圖3所示，考慮到實(shí)際需求和節(jié)點(diǎn)功耗要求，本系統(tǒng)將LoRa串口DTU工作模式設(shè)置為被動喚醒模式，即由數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)對入網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)DTU進(jìn)行輪詢喚醒完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 USR-LG206-L-C基本功能框圖

被動輪詢模式下LoRa串口DTU上電后自動入網(wǎng)，數(shù)據(jù)終端按預(yù)選設(shè)定周期輪詢?nèi)刖W(wǎng)的設(shè)備，設(shè)備收到輪詢指令后，向外部串口設(shè)備(各類傳感器)透傳輪詢數(shù)據(jù)指令；如果外部串口設(shè)備存在應(yīng)答數(shù)據(jù)，DTU將應(yīng)答數(shù)據(jù)透傳至數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。為保證通訊質(zhì)量，LoRa串口DTU和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)必須在工作模式、信道、速率和應(yīng)用ID四方面一致，此時(shí)需要利用AT指令對上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)選型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)選用有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的USR-LG220 LoRa集中器，該款集中器是一款基于低功耗廣域網(wǎng)LoRa私有協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)基站，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與終端模塊的自由組網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的通訊功能。該數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的工作模式有3種，分別為輪詢喚醒、節(jié)點(diǎn)主動上報(bào)和服務(wù)器主動下發(fā)。針對系統(tǒng)的使用環(huán)境及要求，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采用輪詢喚醒工作模式，當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為該模式后，入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊將進(jìn)入被動喚醒狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)會按照設(shè)置下發(fā)前導(dǎo)碼喚醒在網(wǎng)該信道的所有節(jié)點(diǎn)，并將輪詢數(shù)據(jù)以廣播模式傳輸給所有節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)下發(fā)后，若數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點(diǎn)模塊回復(fù)的正確數(shù)據(jù)，則立即下發(fā)下一條指令數(shù)據(jù)，否則等到接收時(shí)間超時(shí)后下發(fā)下一條數(shù)據(jù)。此種模式在保證節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定通訊的前提下，可有效降低采集終端節(jié)點(diǎn)的功耗。輪詢喚醒模式時(shí)序如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)輪詢喚醒模式時(shí)序圖

除與各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)LoRa終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信外，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)還與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)基于4G網(wǎng)絡(luò)采用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)參數(shù)利用WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，通過web端進(jìn)行配置。主要對IP、端口號、工作模式、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、輪詢間隔時(shí)間、發(fā)送功率、信道和空速等參數(shù)進(jìn)行配置，其中同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備空速和信道必須設(shè)置相同，空速設(shè)定主要考慮到傳播距離，在保證各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸互不影響的前提下，較低的空速可增加傳輸距離，系統(tǒng)中空速設(shè)定為0.537kbps，在天氣晴朗的條件下，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)間最大通信距離可達(dá)3km。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括云服務(wù)平臺設(shè)計(jì)搭建和監(jiān)控中心管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)編制，云服務(wù)平臺用于獲取數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)、下發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心管理系統(tǒng)為系統(tǒng)客戶端應(yīng)用軟件，該軟件主要實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、查詢和分析等功能。

3.1 云服務(wù)平臺設(shè)計(jì)搭建

系統(tǒng)云服務(wù)平臺基于騰訊云搭建，主要作為數(shù)據(jù)獲取、下發(fā)和存儲的中介，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。LoRa數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)獲取所有節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包處理后，通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器平臺，云平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及存儲后，可通過互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)下發(fā)至監(jiān)控中心管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析。云服務(wù)器平臺主要包括兩部分功能，即數(shù)據(jù)處理軟件和SQL Server數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)處理軟件可對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并可將解析后的數(shù)據(jù)下發(fā)至監(jiān)控中心管理系統(tǒng)，SQL Server數(shù)據(jù)庫可存儲LoRa數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路如圖5所示。

圖5 云服務(wù)器平臺數(shù)據(jù)鏈路傳輸示意圖

云服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理軟件基于C#語言編制，具有對LoRa數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解析、存儲和調(diào)用下發(fā)的功能。LoRa數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)均以標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議格式進(jìn)行上傳，云服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理軟件可對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析后將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲至云端SQL Server數(shù)據(jù)庫，同時(shí)如果監(jiān)控中心管理系統(tǒng)發(fā)出最新監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)用請求，數(shù)據(jù)處理軟件會將最新解析后的監(jiān)測數(shù)據(jù)下發(fā)至監(jiān)控中心管理系統(tǒng)。云服務(wù)器數(shù)據(jù)處理軟件工作流程如圖6所示。

圖6 云服務(wù)器數(shù)據(jù)處理軟件工作流程圖

數(shù)據(jù)庫搭建于云服務(wù)器上，具有易于部署、安全性高、可維護(hù)性好和降低用戶使用成本等優(yōu)勢，同時(shí)由于本系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量小、對數(shù)據(jù)讀寫速度要求不高等特點(diǎn)，因此將數(shù)據(jù)庫搭建于云服務(wù)器上是合適的。系統(tǒng)在云服務(wù)器中預(yù)裝了SQL Server 2016，通過Microsoft SQL Server Management Studio可對其進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)查詢等工作。

3.2 監(jiān)控中心管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)編制

監(jiān)控中心管理系統(tǒng)主要為系統(tǒng)應(yīng)用軟件，該軟件基于C/S架構(gòu)，采用C#語言編制，具有節(jié)點(diǎn)氣象及空氣污染數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線擬合分析和數(shù)據(jù)報(bào)表輸出等功能，用戶可實(shí)時(shí)觀察所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及位置信息，有助于其快速判斷污染源并采取相應(yīng)措施。監(jiān)控中心管理系統(tǒng)客戶端界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)控中心管理系統(tǒng)客戶端軟件界面

4 結(jié)束語

港口的礦石資源在裝卸過程中逸出的粉塵對港口及周邊地區(qū)造成了較重的環(huán)境污染，為解決港口環(huán)境下對大氣污染物的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文研發(fā)了一種基于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用LoRa技術(shù)的長距離傳輸、低功耗等優(yōu)勢特點(diǎn)，采用自組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)了對港口區(qū)域大氣污染的網(wǎng)格化監(jiān)控，對實(shí)現(xiàn)港口環(huán)境監(jiān)測數(shù)字化、智能化具有積極的推動作用。