基于LoRa無(wú)線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)①

王明軍, 樊思雨

1(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院, 西安 710048)

2(陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院, 漢中 723001)

3(陜西省智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)軍民共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710126)

目前, 我國(guó)城市化發(fā)展水平在逐年提高, 但是城市人口的飛快增長(zhǎng)、水資源供應(yīng)缺乏、以及環(huán)境污染造成的水污染等問(wèn)題, 對(duì)城市水資源提出了巨大的挑戰(zhàn)[1].水資源的短缺和污染不僅會(huì)阻礙經(jīng)濟(jì)建設(shè), 更會(huì)對(duì)國(guó)民的身體健康帶來(lái)危害. 污水的處理不當(dāng)和環(huán)境的污染, 造成目前大規(guī)劃化和高養(yǎng)殖密度的水產(chǎn)行業(yè)的水域水質(zhì)逐年惡化, 水產(chǎn)品污染所導(dǎo)致的患病率也在不斷地升高[2]. 因此水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要性日益凸顯, 監(jiān)測(cè)水質(zhì)不僅有助于人類對(duì)水資源進(jìn)行管理、保護(hù)和利用,還可以利于人類監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì), 以提高養(yǎng)殖水產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量, 使我們能夠食用更加健康的水產(chǎn)品.

我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚, 發(fā)展也較為緩慢,現(xiàn)階段大多使用人工操作儀器的檢測(cè)方法存在諸多不足, 效率低, 且監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng), 無(wú)法反映水域環(huán)境的實(shí)時(shí)變化[3]. 同時(shí), CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也處于不斷發(fā)展階段, 其在實(shí)時(shí)性和監(jiān)測(cè)范圍得到較大提升, 但其操作困難且易腐蝕, 造成投入成本較高[4]. 部分無(wú)線傳感器在水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面進(jìn)行了研究[5], 比如美國(guó)Heliosware公司的EMNET系統(tǒng), 但其通信速度慢、系統(tǒng)體積也較大, 并且還存在著功耗較高的缺點(diǎn), 僅適合于實(shí)驗(yàn)室研究[6]. 杜治國(guó)等人[7]提出了利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收, 但本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積龐大, 價(jià)格貴且需要市電供電, 局限性較大. 王文華等人[8]使用單片機(jī)采集并利用GSM傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù), 但該方案網(wǎng)絡(luò)要求高, 且成本較大, 系統(tǒng)的功耗也較高, 布設(shè)較為困難. Adamo等人[9]提出的系統(tǒng)采用IEEE 802.15.4或者ZigBee進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和基站之間的通信, 但是這些技術(shù)的通信范圍較小, 僅限于數(shù)十米, 導(dǎo)致系統(tǒng)的空間分辨率不高. 通過(guò)使用額外的中繼節(jié)點(diǎn)可以擴(kuò)展范圍, 但是這往往也引入了額外的路由成本, 導(dǎo)致成本變高, 而且ZigBee技術(shù)通常在2.4 GHz ISM的免許可頻段運(yùn)行, 該頻段十分擁擠而且也容易收到干擾和攻擊.

隨著國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展[10,11], 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于水資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[12,13]. 本文采用當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要技術(shù)——LoRa通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng). LoRa技術(shù)具有低功耗和遠(yuǎn)距離的優(yōu)點(diǎn), 在相同的功耗下, 相比于ZigBee和WiFi等無(wú)線通信方式, 其傳播距離擴(kuò)大了3–5倍, 適合大多數(shù)水域環(huán)境的通信要求. 本文利用嵌入式技術(shù)集成溫度、電導(dǎo)率、濁度、風(fēng)速風(fēng)向、pH、溶解氧、氧化還原電位(ORP)傳感器, 配置嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(FreeRTOS)實(shí)現(xiàn)傳感器任務(wù)調(diào)度, 通過(guò)LoRa技術(shù)和北斗GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收, 解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離短、集成度低和功耗高問(wèn)題, 配套的水質(zhì)監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)和定位信息. 本系統(tǒng)可持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)水質(zhì)環(huán)境, 同時(shí)測(cè)量多種數(shù)據(jù), 具有一定的實(shí)用價(jià)值.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、無(wú)線通信電路和遠(yuǎn)程控制中心3部分組成, 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由水質(zhì)傳感器組、GPS/北斗定位模塊、STM32處理器和電源電路組成. 水質(zhì)傳感器組收集到的定位信息、水溫、電導(dǎo)率、OPR、pH、濁度、溶解氧和風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32處理器處理并打包后, 再通過(guò)無(wú)線通信電路被發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心, 遠(yuǎn)程控制中心包括數(shù)據(jù)接收終端和上位機(jī)軟件, 數(shù)據(jù)接收終端接收無(wú)線通信電路發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件上進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存.

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理, 發(fā)送給無(wú)線通信電路. 傳感器組主要有水溫傳感器、電導(dǎo)率傳感器、ORP傳感器、pH傳感器、濁度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溶解氧傳感器和GPS/北斗定位模塊構(gòu)成. STM32處理器采用STM32F103系列單片機(jī), 該系列的單片機(jī)具有功耗低、接口豐富、I/O口易擴(kuò)展的特點(diǎn). 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用RS485總線采集電路和A/D采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器組的集成. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

水溫傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器, 本傳感器只有3個(gè)引腳, 電源線、地線和單總線, 該模塊與單片機(jī)進(jìn)行雙向通訊通過(guò)單總線完成讀寫.

濁度傳感器采用的是TS濁度傳感器, 該模塊主要依靠光學(xué)原理來(lái)判斷溶液的渾濁度, 傳感器內(nèi)部是一個(gè)紅外線對(duì)管, 當(dāng)光線穿透一定量的水時(shí), 其透過(guò)量取決于水的渾濁程度. 水越污濁, 透過(guò)的光也就越少, 光接收管中所產(chǎn)生的電流也越小, 而測(cè)量端通過(guò)接收到的電流大小則可以計(jì)算出水的渾濁程度.

pH傳感器采用pH和溫度一體的BHT-D型傳感器,本傳感器的測(cè)量電極為玻璃電極, 玻璃電極與溶液的pH值存在一定的數(shù)值關(guān)系, 可通過(guò)輸出的電壓值判斷溶液的pH值. pH傳感器還帶有溫度補(bǔ)償, 當(dāng)監(jiān)測(cè)的水域溫度不在范圍內(nèi)時(shí), 通過(guò)補(bǔ)償pH值得到實(shí)際的pH值.

ORP傳感器使用GH-GO-300B ORP傳感器, 氧化還原電位與水域的pH存在一定的線性關(guān)系, 水域的pH值增加, 則其氧化還原能力就會(huì)下降. 電導(dǎo)率傳感器采用GH-EC-10電導(dǎo)率傳感器, 風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用ZZ-WIND傳感器, 風(fēng)速測(cè)量部分采用三杯式組件,風(fēng)向測(cè)量部分則采用精密電位器. 溶解氧傳感器采用DO615D智能水質(zhì)傳感器. ORP傳感器、電導(dǎo)率傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和溶解氧傳感器均采用MODBUSRTU協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信.

GPS/北斗定位模塊采用S1216F8-BD模組, 可通過(guò)3種方式進(jìn)行啟動(dòng). 電源供電不足, 模塊接收到的歷史數(shù)據(jù)丟失, 啟動(dòng)方式為冷啟動(dòng); 模塊接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)與歷史保存的數(shù)據(jù)不一致, 啟動(dòng)方式為溫啟動(dòng); 模塊接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)與歷史保存的數(shù)據(jù)一致, 在此情況下為熱啟動(dòng)方式. 使用NMEA-0183協(xié)議獲取定位信息, 包括經(jīng)緯度和UTC時(shí)間等信息. 本系統(tǒng)的硬件電路圖如圖3.

圖3 硬件電路圖

2.2 電源電路

本系統(tǒng)最終應(yīng)用于河流、湖泊等水域環(huán)境, 考慮到本系統(tǒng)工作在室外無(wú)法產(chǎn)電等實(shí)際問(wèn)題, 所以最終采用太陽(yáng)能電池板和12 V的小型蓄電池為系統(tǒng)供電.ORP傳感器、電導(dǎo)率傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器供電可由太陽(yáng)能輸出的12 V電壓進(jìn)行直接供電, 而GPS/北斗定位模塊、pH傳感器、濁度傳感器和水溫傳感器則由穩(wěn)壓芯片LM-7805輸出的5 V電壓進(jìn)行供電. 而蓄電池則是用來(lái)在陰雨天氣等情況下彌補(bǔ)由于太陽(yáng)能不足造成的無(wú)法持續(xù)供電的情況.

2.3 無(wú)線通信電路

LoRa技術(shù)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛的一種無(wú)線通信技術(shù), 從表1各項(xiàng)技術(shù)的對(duì)比中可看出, LoRa與WiFi和藍(lán)牙技術(shù)相比, 不僅傳播距離更遠(yuǎn), 而且成本也更低, 相比于GPRS技術(shù)具有低功耗等優(yōu)點(diǎn), 可靈活布置LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大范圍的監(jiān)測(cè)區(qū)域. 因此本系統(tǒng)無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)采用LoRa技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸.

表1 LoRa、WiFi、GPRS以及藍(lán)牙技術(shù)的對(duì)比

無(wú)線通信電路由STM32處理器和LoRa模塊組成, 完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能. LoRa模塊采用sx1278芯片, 當(dāng)AUX=0, MD0=1時(shí), 模塊處于工作狀態(tài), 該芯片的工作參數(shù)可通過(guò)AT指令進(jìn)行配置, 模塊的工作參數(shù)具體配置見(jiàn)表2. 工作模式配置完之后, 模塊便會(huì)進(jìn)入通信功能, 并根據(jù)我們?cè)O(shè)置的AT指令執(zhí)行功能.

表2 LoRa模塊相關(guān)指令配置

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)首先需要對(duì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的STM32F103ZET6單片機(jī)和各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化和參數(shù)配置, 再通過(guò)串口發(fā)送AT指令, 啟動(dòng)LoRa模塊. 系統(tǒng)連接成功之后, 會(huì)進(jìn)入低消耗待機(jī)狀態(tài), 當(dāng)單片機(jī)接收到遠(yuǎn)程控制中心查詢數(shù)據(jù)的請(qǐng)求之后便會(huì)開(kāi)啟傳感器, 并對(duì)其水域的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 同時(shí)將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送回控制中心.

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件采用任務(wù)調(diào)度機(jī)制來(lái)處理系統(tǒng)中的各個(gè)任務(wù), FreeRTOS操作系統(tǒng)可處理的任務(wù)在數(shù)量上沒(méi)有限制, 因此相比于其他系統(tǒng)采用雙向鏈表的方式處理各個(gè)傳感器的任務(wù), 保證了系統(tǒng)處理子任務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性. CPU可使優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)優(yōu)先運(yùn)行且對(duì)于優(yōu)先級(jí)相同的任務(wù)可以同時(shí)處理, FreeRTOS支持不同任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以相同, 并能夠平均分配CPU的使用時(shí)間. 利用FreeRTOS的消息隊(duì)列功能, 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送任務(wù)在數(shù)據(jù)采集任務(wù)沒(méi)有完成之前處于阻塞狀態(tài), 收到消息隊(duì)列后, 發(fā)送任務(wù)才會(huì)被調(diào)度執(zhí)行. 表3是對(duì)各個(gè)傳感器任務(wù)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置.

表3 任務(wù)優(yōu)先級(jí)

軟件設(shè)計(jì)流程包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)流程如圖4所示. 首先進(jìn)行硬件初始化和FreeRTOS初始化, 采用時(shí)間片對(duì)各個(gè)子任務(wù)進(jìn)行調(diào)度, 溫度、pH、電導(dǎo)率、濁度、ORP、風(fēng)速風(fēng)向、溶解氧采集子任務(wù)共用一個(gè)優(yōu)先級(jí), 各個(gè)子任務(wù)采用時(shí)間片輪流執(zhí)行, 數(shù)據(jù)采集完畢之后, 將數(shù)據(jù)封裝打包, 通過(guò)LoRa上傳至遠(yuǎn)程控制中心.

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

pH傳感器、濁度傳感器和溫度傳感器通過(guò)A/D總線與主控制器進(jìn)行通信, 風(fēng)速風(fēng)向傳感器、電導(dǎo)率傳感器、溶解氧傳感器和ORP通過(guò)RS485+MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信. GPS/北斗定位模塊通過(guò)串口與主控制器進(jìn)行通信. 本系統(tǒng)中RS485采用兩線制的主從通信方式, 通信協(xié)議采用Modbus-RTU進(jìn)行通信傳輸, 各個(gè)從機(jī)設(shè)備都有自己的從站地址, 主機(jī)端向從機(jī)端發(fā)出消息請(qǐng)求, 從機(jī)端接收到消息后并向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)響應(yīng)請(qǐng)求. 數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用16位CRC校驗(yàn), 當(dāng)主從端的校驗(yàn)結(jié)果一致, 數(shù)據(jù)才會(huì)被主機(jī)端接收.

3.2 LoRa節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)主要是LoRa采用透?jìng)髂Ｊ竭M(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送, 不需要數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收. LoRa數(shù)據(jù)接收端和LoRa數(shù)據(jù)發(fā)送端擁有相同的速率、信道和目標(biāo)地址. LoRa節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

圖5 LoRa軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 遠(yuǎn)程控制中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制中心軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示, 實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)和顯示功能. 軟件是基于Qt的串口上位機(jī)軟件, 利用Qt的QSerialPort類實(shí)現(xiàn)串口通信, 包括串口號(hào)、波特率、停止位、校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位的設(shè)置, 可進(jìn)行賬號(hào)的注冊(cè)登錄、水質(zhì)數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的地理位置信息顯示.

Qt是一種面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序框架, 利用C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì). 通過(guò)下載離線地圖, 通過(guò)Qt與HTML交互, 實(shí)現(xiàn)離線定位. 而關(guān)聯(lián)按鍵和槽函數(shù), 可完成水質(zhì)數(shù)據(jù)的顯示和串口的控制. 圖6是上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)原理圖.

圖6 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)原理圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 通信質(zhì)量測(cè)試

本系統(tǒng)通信質(zhì)量測(cè)試采用LoRa模塊sx1278和ZigBee模塊CC2530進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn), 通過(guò)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送300個(gè)幀數(shù)據(jù)包, 測(cè)試從節(jié)點(diǎn)接收到的幀個(gè)數(shù), 以丟包率來(lái)表征通信質(zhì)量, 通信質(zhì)量測(cè)試表如表4所示.

由表4可看出, 在通信距離小于200 m的情況下,LoRa丟包率為0, 滿足小距離通信質(zhì)量要求. 通信距離大于300 m時(shí), ZigBee不能接收到幀數(shù)據(jù)包, 丟包率達(dá)100%. 由此可看出, LoRa技術(shù)相比于ZigBee技術(shù)更有優(yōu)勢(shì).

表4 LoRa和ZigBee通信質(zhì)量測(cè)試表

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)搭建完成之后進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試, 水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇為西安市灞河邊相距約30 m的兩個(gè)地點(diǎn), 傳感器收集到的水質(zhì)及位置等信息通過(guò)LoRa無(wú)線模塊發(fā)送并被上位機(jī)軟件接收. 基于LoRa的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件在兩個(gè)不同地點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖7所示.

圖7 基于LoRa的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)于2021年11月6號(hào)在西安市灞河邊展開(kāi), 在相距約30 m的兩處了進(jìn)行測(cè)試, 將相對(duì)位于上游的地點(diǎn)記為地點(diǎn)A, 而位于下游的地點(diǎn)記作地點(diǎn)B.測(cè)試時(shí), 首先將傳感器均置于河水中, 隨后在上位機(jī)軟件上對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了顯示, 約20 min過(guò)后數(shù)據(jù)的變化開(kāi)始減小, 數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定. 隨后記錄下了穩(wěn)定后約2 min內(nèi)的100組數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化繪制在圖8中, 圖中顯示了電導(dǎo)率、pH、溫度、OPR、濁度和溶解氧等共6個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì).

由圖8可以知道, ORP的變化范圍為149.0–172.0 mV, pH的變化范圍為7.4–8.6, 電導(dǎo)率的變化范圍為120–130 μS/cm, 溫度的變化范圍為9.0–12.0 ℃,濁度的變化范圍為950–1000 NTU, 溶解氧的變化范圍為7.3–8.3 mg/L. 能夠表明本系統(tǒng)供電充足, 可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行. 而PM2.5和PM10這兩種傳感器未安裝, 因此暫無(wú)數(shù)據(jù)顯示. 圖8中測(cè)試數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表5.

圖8 傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化

從表5中能夠看出除了溫度, 其他5組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)的結(jié)果均小于5%, 溫度的變異系數(shù)也僅為8.76%, 由數(shù)據(jù)可證明本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性.

表5 感器測(cè)得數(shù)據(jù)的均值與方差

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002), 每周水溫的最大溫升≤1, 最大溫降≤2時(shí)均為正常值,pH范圍為6–9時(shí)為正常值, 主要水源頭和國(guó)家自然保護(hù)區(qū)(I類水源)溶解氧的范圍≥7.5 mg/L, 集中飲用水表面水源一級(jí)保護(hù)區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦產(chǎn)卵地(II類水源)的標(biāo)準(zhǔn)范圍應(yīng)≥6 mg/L, 集中式生活飲用水地表水源地、魚蝦類越冬地、遷徙路線、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)及其他漁業(yè)水域、游泳區(qū)(III類水源)的范圍應(yīng)≥5 mg/L.

而本次測(cè)試的結(jié)果表明, 灞河水的pH均值在限值范圍內(nèi), 灞河水的溶解氧結(jié)果滿足了II類條件, 并且?guī)缀跞窟_(dá)到了I類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn). 電導(dǎo)率和氧化還原電位(ORP)沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)限值, 但電導(dǎo)率通過(guò)水質(zhì)的導(dǎo)電性能夠反應(yīng)水中的鹽度和總離子濃度. ORP對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要, 它能夠反映水質(zhì)的氧化性和還原性, 以確保不會(huì)增加生物種類患病的風(fēng)險(xiǎn). 濁度反映的是水質(zhì)的渾濁度, 如果水質(zhì)渾濁度太大則會(huì)影響到水體植物的光合作用, 從而降低生產(chǎn)氧的速率, 使得生物群落的更替速率下降, 進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致水體的污染程度加劇.

pH值、溶解氧和水溫等因素均會(huì)影響魚類的生存和繁殖, 例如水產(chǎn)養(yǎng)殖中過(guò)度投放魚類飼料會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化, 水域污染等問(wèn)題. 根據(jù)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 11607-89), 正常的淡水魚養(yǎng)殖環(huán)境中, 為了使魚類能夠進(jìn)行正常的生理活動(dòng), 溶解氧的范圍不得低于5 mg/L, pH一般維持在6.5–8.5, 若pH過(guò)大或者過(guò)小,則可利用酸堿緩劑進(jìn)行矯正.

基于LoRa的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件通過(guò)串口接收到溫度、濁度、風(fēng)速風(fēng)向、電導(dǎo)率、ORP、pH、溶解氧等參數(shù), 能在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的接收數(shù)據(jù)以及對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位, 可長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)水域環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè), 在水產(chǎn)養(yǎng)殖和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

5 結(jié)論

本文應(yīng)用嵌入式技術(shù), STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制核心, FreeRTOS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度功能, 實(shí)時(shí)地處理各個(gè)傳感器任務(wù), 完成數(shù)據(jù)的采集和處理工作, 并且利用LoRa無(wú)線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 實(shí)現(xiàn)水域環(huán)境的遠(yuǎn)程管理. 本文對(duì)系統(tǒng)方案、軟硬件電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹, 并對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試, 可得出灞河水質(zhì)的PH、電導(dǎo)率、ORP、濁度、溶解氧的變異系數(shù)的結(jié)果均小于5%, 溫度的變異系數(shù)為8.76%, 具有較高的穩(wěn)定性. 本文最終實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 具有功耗小、成本較低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn). 結(jié)果表明本系統(tǒng)可用于水廠養(yǎng)殖、河道監(jiān)測(cè)等水域環(huán)境, 為預(yù)測(cè)環(huán)境中的水資源狀態(tài)提供了可靠的水質(zhì)數(shù)據(jù).