基于LPWA技術(shù)的無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)研究

沈曉萍，田立武

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

0 引 言

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，通過(guò)人工手段或站點(diǎn)監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)的采樣檢測(cè)，實(shí)時(shí)性較差，監(jiān)測(cè)樣本數(shù)量受限，成本也比較高；往往還采用有線(xiàn)通信方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要進(jìn)行布線(xiàn)，花費(fèi)高昂的人工和設(shè)備成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，低功耗廣域技術(shù)（Low Power Wide Area,LPWA）的不斷成熟，提供了基于LPWA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方案，相較傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在距離、能耗、大鏈接、性?xún)r(jià)比等方面具有優(yōu)勢(shì)。

1 LPWA 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，越來(lái)越多的終端設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)，原有的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如ZigBee、BlueTooth、Wi-Fi 等，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展需求。現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，一方面向低時(shí)延、高速率及高可靠性發(fā)展，另一方面也在向低速率、低功率、遠(yuǎn)距離與大連接方向演進(jìn)。萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢(shì)推進(jìn)了LPWA 技術(shù)的發(fā)展，主流的LPWA 技術(shù)包括eMTC、NB-IOT、Sigfox 與LoRa 等，主要業(yè)務(wù)為文本類(lèi)，可適用于低功耗、低速率、廣覆蓋及大連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，目前在國(guó)內(nèi)形成了LoRa和NB-IoT兩大技術(shù)陣營(yíng)，現(xiàn)越來(lái)越多地應(yīng)用于智能抄表、共享單車(chē)、智能樓宇、智慧城市等應(yīng)用場(chǎng)景，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的方向發(fā)展

IoT 是一種整合的技術(shù)，早些年因?yàn)閭鞲性O(shè)備、通信技術(shù)等發(fā)展受限，近兩年因?yàn)樯鲜黾夹g(shù)有了較大突破，現(xiàn)進(jìn)入調(diào)整發(fā)展的快車(chē)道，連接量也呈現(xiàn)井噴趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2025年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接量將達(dá)到270 億，預(yù)計(jì)2025年廣域物聯(lián)網(wǎng)連接量中45%將使用LPWA 技術(shù)，如圖2所示。

圖2 2015-2025年全球LPWA 技術(shù)連接數(shù)在廣域物聯(lián)網(wǎng)中的占比

如今，低功耗廣域網(wǎng)因?yàn)槟軌蛞缘碗娏繉?shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)較長(zhǎng)距離通信，是首選的WSN 技術(shù)之一，該技術(shù)可通過(guò)縮小帶寬或通過(guò)在更寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展信號(hào)的能量來(lái)增強(qiáng)接收器的信噪比（SNR）。LPWA 技術(shù)，如LoRa、Sigfox、NBIoT 等，具備了覆蓋范圍廣、自組網(wǎng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、功耗低等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)狀況的自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)化監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)數(shù)據(jù)可上傳至云平臺(tái)，協(xié)助管理員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

其中，LoRa（Long Range Radio）是Semtech 公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前LPWA 技術(shù)的主流技術(shù)之一。LoRa 技術(shù)之所以能同時(shí)做到低功耗和遠(yuǎn)距離，是因?yàn)椴捎昧藬U(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，將頻帶進(jìn)行展寬處理，可實(shí)現(xiàn)在同等功耗下相較傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)射頻通信距離擴(kuò)大3 ～5 倍，與采用其他調(diào)制技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)相比較，其傳輸距離更遠(yuǎn)，覆蓋面積更大，同時(shí)還可減少系統(tǒng)靈敏度。另外，該技術(shù)采用了前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)（FEC），可大大增強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。LoRa 運(yùn)行在ISM 頻段，主要為433 MHz、868 MHz、915 MHz 等頻段，這些頻段為免費(fèi)頻段，不需要支付額外的費(fèi)用，相比NB-IOT 和蜂窩通信使用的1 GHz 以下頻段，該頻段是授權(quán)的，需要額外收費(fèi)。

2019年11月28日，工信部根據(jù)《中華人民共和國(guó)無(wú)線(xiàn)電管理?xiàng)l例》發(fā)布了2019年第52 號(hào)公告，對(duì)微功率短距離無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設(shè)備生產(chǎn)、進(jìn)口、銷(xiāo)售和使用進(jìn)行了規(guī)范。其中提到“470 ～510 MHz 限在建筑樓宇、住宅小區(qū)及村莊等小范圍內(nèi)組網(wǎng)應(yīng)用，任意時(shí)刻限單個(gè)信道發(fā)射。”這意味著LoRa 拿到了合法身份，這也意味著拿到合法身份的LoRa會(huì)與NB-IoT 正式下場(chǎng)比試，爭(zhēng)奪移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的C 位。

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，ZigBee 技術(shù)雖然具有自組網(wǎng)特性，但是傳輸距離近；Wi-Fi 和蜂窩技術(shù)雖然傳輸速率快，但受到運(yùn)營(yíng)商的限制，費(fèi)用較高。LoRa 技術(shù)在其他條件相同的情況下，與Wi-Fi、ZigBee 技術(shù)相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、功耗低等優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)部分采用LoRa 節(jié)點(diǎn)和LoRa 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和匯聚，然后通過(guò)RS485、CAN 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型傳感設(shè)備的靈活部署；為適應(yīng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)條件，需綜合考慮低功耗和遠(yuǎn)距離等要素，同時(shí)滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)中雙向數(shù)據(jù)通信的安全可靠性能，采集到的數(shù)據(jù)匯總至LoRa 網(wǎng)關(guān)后可傳送至云平臺(tái)，管理人員通過(guò)云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況，還可通過(guò)云平臺(tái)下達(dá)控制命令至LoRa 節(jié)點(diǎn)/LoRa 網(wǎng)關(guān)。

系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。系統(tǒng)可分為pH 酸堿度監(jiān)測(cè)終端、LoRa 基站（主控模塊、網(wǎng)關(guān)等）、云平臺(tái)以及應(yīng)用終端四部分。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集部分的研究與設(shè)計(jì)

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，pH 酸堿度是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，該值主要用來(lái)衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子的相對(duì)量。pH 值定義為：

其中H+為氫離子濃度，單位為摩爾/升。溶液的pH值范圍為0 ～14，中性溶液的pH 值為7，酸性溶液的pH值小于7，堿性溶液的pH 值大于7。

本項(xiàng)目中，主要采集pH 值、溫度等傳感數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。選用BPHT 型pH 值溫度變送器，該單元支持在線(xiàn)一鍵校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償、電極松斷報(bào)警、掉電保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)，可廣泛應(yīng)用于各種需要對(duì)pH 值、溫度進(jìn)行測(cè)量與控制的場(chǎng)合。信號(hào)輸出與pH 值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 信息輸出與pH 值對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 數(shù)據(jù)傳輸部分的研究與設(shè)計(jì)

采用LoRa 遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線(xiàn)通信。與頻移鍵控、二進(jìn)制啟閉鍵控調(diào)制技術(shù)相比，LoRa 技術(shù)因?yàn)椴捎昧饲跋蚣m錯(cuò)和擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，不僅擴(kuò)大了無(wú)線(xiàn)通信鏈路的覆蓋范圍，同時(shí)提高了鏈路的魯棒性。LoRa 的調(diào)制速率：

式中，表示帶寬；表示擴(kuò)頻因子。發(fā)送信號(hào)為恒包絡(luò)信號(hào)，每赫茲每秒發(fā)送一個(gè)碼片。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整、等參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)中的通信速率、空中包存活時(shí)間、抗干擾性能等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)帶寬和編碼率不變時(shí)，增加擴(kuò)頻因子可實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)傳播時(shí)間和提高接收靈敏度，同時(shí)也對(duì)頻率參考源的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

LoRa 提供了顯式和隱式兩種數(shù)據(jù)包格式。數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

圖4 LoRa 數(shù)據(jù)包格式

射頻模塊采用利爾達(dá)LSD4RF-2F717N30，它是LoRa SX1278 470 M 100 mW 標(biāo)準(zhǔn)模塊，可實(shí)現(xiàn)高性能的無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能。SX1276 的帶寬為7.8 ～500 kHz，擴(kuò)頻因子為6 ～12，電路圖如圖5所示。

圖5 LSD4RF-2F717 模塊電路圖

2.3 主控部分的研究與設(shè)計(jì)

主控部分采用STM32L 系列芯片，32 位ARM Cortex-M3內(nèi)核，超低功耗類(lèi)別，其中ADC 可配置成12 位精度，能滿(mǎn)足系統(tǒng)精度要求，屬于超低功耗類(lèi)別，可較好適應(yīng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)STM32L 微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件采集終端流程的設(shè)計(jì)，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集模塊的控制，同時(shí)驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信模塊完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送處理。主控部分電路圖如圖6所示。

圖6 主控部分STM32L 系統(tǒng)芯片電路

電路設(shè)計(jì)框圖如圖7所示，可分為四大模塊，電源模塊作為供電部分，需要為其他三個(gè)模塊供電，傳感器模塊作為終端模塊采集數(shù)據(jù)，主控模塊作為系統(tǒng)的指揮中心，無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)采集水質(zhì)監(jiān)控信息上傳至云平臺(tái)。

圖7 硬件設(shè)計(jì)電路框圖

2.4 云平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)管理人員可以隨時(shí)隨地登錄平臺(tái)查看監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)整合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，架設(shè)在IaaS 層上，下層連接和控制物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，上層面向應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中控制和存儲(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)體系中的中樞神經(jīng)，主要作用是實(shí)現(xiàn)向下連接終端設(shè)備，向上對(duì)接應(yīng)用層。

物聯(lián)網(wǎng)云可分為公有云和非公有云兩種模式，這里非公有云包括了私有云、混合云、專(zhuān)有云等。公有云部署采用標(biāo)準(zhǔn)化模式，具有高開(kāi)放性、低成本開(kāi)發(fā)、高可復(fù)用性等特點(diǎn)，成為大多數(shù)中小型企業(yè)在部署物聯(lián)網(wǎng)云時(shí)的首選技術(shù)方案。近幾年，國(guó)內(nèi)IoT 云平臺(tái)的發(fā)展也是如火如荼，知名的有百度IoT，阿里物聯(lián)，中移物聯(lián)等，可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)、過(guò)云協(xié)同服務(wù)，提供豐富組件，幫助快速完成應(yīng)用部署。

本項(xiàng)目中采用NLECloud 云平臺(tái)作為云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理中心，分別實(shí)現(xiàn)消息準(zhǔn)確性以及高效傳輸，對(duì)大量的終端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)等操作，如圖8所示。數(shù)據(jù)大屏效果如圖9所示。

圖8 NLECloud 云平臺(tái)

圖9 數(shù)據(jù)大屏

3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境使用STM32MXCubeMX+MDKARM（Keil5）。利用STM32MXCubeMX 進(jìn)行GPIO 端口、調(diào)試端口、MCU 時(shí)鐘數(shù)、中斷、定時(shí)器等功能配置，生成基于MDK-ARM 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的初始代碼，然后導(dǎo)入到Keil5 開(kāi)發(fā)環(huán)境中添加邏輯功能模塊，完善代碼。

3.1 LoRaMac-node

LoRaMac-node 協(xié)議棧是LoRaWAN 協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，它將各個(gè)層定義的協(xié)議封裝在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，為用戶(hù)提供可直接調(diào)用的應(yīng)用層API，開(kāi)發(fā)人員可在此基本上修改完善。在本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需首先將SX1278 的驅(qū)動(dòng)程序移植和適配到LoRa 模塊上。在LoRaMac-node 中集成了LoRa 的驅(qū)動(dòng)程序代碼和MAC 層，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)。此處整理用到的關(guān)鍵函數(shù)如表2所示。

表2 關(guān)鍵函數(shù)

3.2 LoRa 傳感節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和其他傳感器節(jié)點(diǎn)處于同一無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，確保網(wǎng)絡(luò)ID 一致，在工作時(shí)，通過(guò)輪詢(xún)其他傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備讀取傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，LoRa 網(wǎng)關(guān)在收到響應(yīng)數(shù)據(jù)后，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)域提取出來(lái)，通過(guò)NLECloud 平臺(tái)上的設(shè)備列表信息完成對(duì)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的pH 酸堿度、溫度、濕度等信息的監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目中為適應(yīng)不同場(chǎng)景，適配兩種類(lèi)型pH 酸堿度變送器。當(dāng)使用BPHT-V05，可實(shí)現(xiàn)0 ～5 V 電壓輸出，測(cè)PH 范圍為0.0 ～14.0 pH，可適用于電鍍、食品加工、污水處理、環(huán)保等場(chǎng)合。傳感端上傳至云平臺(tái)中各數(shù)據(jù)域信息提取如表3所示。

表3 各數(shù)據(jù)域信息對(duì)照表

在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)通信廣泛采用Modbus-RTU 通信協(xié)議，在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，充分考慮應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了支持Modbus-RTU 通信協(xié)議。Modbus-RTU 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式為10 位異步通信方式，包括1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。Modbus 采用RTU 方式，變送器這里只開(kāi)放03H、10H 功能碼。功能碼03H 為讀寄存器，請(qǐng)求和響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式如表4和表5所示。

表4 主機(jī)請(qǐng)求

表5 變送器響應(yīng)

功能碼10 H 為寫(xiě)寄存器，請(qǐng)求和響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式如表6和表7所示。

表6 主機(jī)請(qǐng)求

表7 變送器響應(yīng)

當(dāng)上位機(jī)發(fā)送的功能碼、寄存器地址、寄存器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，將回復(fù)錯(cuò)誤代碼。這里返回的錯(cuò)誤代碼中，01H代表功能碼錯(cuò)誤；02H 代表數(shù)據(jù)地址錯(cuò)誤；03H 代表數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；06H 代表數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度錯(cuò)誤；0CH 代表CRC 校驗(yàn)錯(cuò)誤。在調(diào)試過(guò)程中，可根據(jù)上述錯(cuò)誤代碼進(jìn)行排錯(cuò)。

3.3 LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)要確認(rèn)在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，在定義網(wǎng)絡(luò)編號(hào)和設(shè)備地址時(shí)，MY_NET_ID（網(wǎng)絡(luò)ID）要保持一致，ADDR_MIN 和ADDR_MAX 需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，注意最大設(shè)備地址通常不小于2。通過(guò)進(jìn)程函數(shù)LoRa_ReadSensorProcess（uint8_t AddrMin，uint8_t AddrMax）輪詢(xún)傳感器節(jié)點(diǎn)。

4 總 結(jié)

基于LPWA技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，通過(guò)終端數(shù)據(jù)采集、LoRa 無(wú)線(xiàn)傳輸、云數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)環(huán)境所需關(guān)鍵要素的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活，支持多節(jié)點(diǎn)接入，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，覆蓋范圍較廣，功耗低，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。