基于Lora 無線傳輸?shù)乃|(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝 斌，周亞平，張 坤

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，南京 210012）

1 Lora 無線傳輸技術(shù)概述

Lora 無線傳輸技術(shù)是美國公司研發(fā)和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離信息無線傳輸方案，和其他無線通信技術(shù)相比，LoRa 通信技術(shù)具有傳輸距離長、消耗低、成本低、方便部署的特點(diǎn)。Lora 無線傳輸技術(shù)最高接收靈敏度可達(dá)－148dBm，被人們廣泛的應(yīng)用在遠(yuǎn)距離、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無線通信市場，案解決了傳輸距離和功耗不匹配的問題，能夠?yàn)橛脩籼峁┮环N精簡的，且能夠?qū)崿F(xiàn)信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木哂休^大容量的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

Lora 無線傳輸技術(shù)主要工作涵蓋世界范圍內(nèi)多個(gè)方面的作用，具體包含433、470、868、915MHz 等。在具體操作的時(shí)候LoRa 芯片最高接收靈敏度提高20 ～25dB，和以往的信號傳輸相比更加方便快捷、靈敏。LoRa 技術(shù)在本質(zhì)上是擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，借助信息科技發(fā)展背景下的數(shù)字信號處理技術(shù)和糾錯(cuò)編碼技術(shù)形式能夠有效處理冗余的信息，且在操作的時(shí)候會及時(shí)糾正錯(cuò)誤的代碼，在一定程度上減少數(shù)據(jù)信息被重復(fù)利用的繁瑣，提高數(shù)據(jù)信息的處理效率。

同時(shí)，LoRa 調(diào)制碼片的可配置范圍為比較廣闊，能夠?qū)^大范圍內(nèi)的無線電頻譜進(jìn)行長距離的傳輸。用戶在分析頻譜的時(shí)候能夠直接從噪聲中提取數(shù)據(jù)信息。在一般情況下，提取的數(shù)據(jù)數(shù)量和擴(kuò)頻因子存在密切的關(guān)聯(lián)。

2 水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

水質(zhì)環(huán)境情況監(jiān)測系統(tǒng)信息主要傳輸方式包含RS232有線傳輸方式、4-20mA 電流有線傳輸方式、光線網(wǎng)絡(luò)無線傳輸、北斗衛(wèi)星傳輸?shù)取２煌瑐鬏敺绞剿m合應(yīng)用的傳輸距離和傳輸范圍不同。從當(dāng)前水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總體發(fā)展情況來看基本上解決了遠(yuǎn)程傳輸?shù)募夹g(shù)和距離問題，但是對于水利樞紐、水文站內(nèi)短距離傳輸在當(dāng)前沒有提出明確的解決方案。對于水量、水位、水流量等信息大多采用的是超短波的方式進(jìn)行傳輸，且在信息傳播的過程中需要對周圍站點(diǎn)的頻率資源進(jìn)行規(guī)劃。

3 基于Lora 無線傳輸?shù)乃|(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。首先，傳感器。LoRa 模塊應(yīng)用的目的是測量環(huán)境中的一氧化碳濃度、酸堿數(shù)值、環(huán)境溫濕度。其中，在測量一氧化碳濃度的時(shí)候會使用到MQ-7傳感器，在測量酸堿值的時(shí)候一般會應(yīng)用到灰塵傳感器YW-51GJ。其次，電源設(shè)計(jì)。LoRa 模塊設(shè)計(jì)采用的是鋰電池組，電子組輸出的電壓為12V，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電壓為5V。因而在系統(tǒng)應(yīng)用的過程中需要采取措施對模塊進(jìn)行降壓操作，將輸出的電壓控制在5V 左右。最后，定位和數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全球定位系統(tǒng)，在綜合了射頻芯片、核心CPU 之后能夠?qū)⑼饴肪C合打造成一個(gè)集成電路。

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要是用來處理數(shù)據(jù)信息，服務(wù)器會將收集到的數(shù)據(jù)繪制在地圖上，同時(shí)借助先進(jìn)的儀器設(shè)備來隨時(shí)隨地的檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，為當(dāng)?shù)厮Y源的綜合監(jiān)測提供完善的信息支持。

3.2 具體應(yīng)用操作

節(jié)點(diǎn)通信具體分為節(jié)點(diǎn)激活、網(wǎng)絡(luò)加入、信息傳輸三個(gè)操作過程，節(jié)點(diǎn)在激活之后會將信息存儲到相應(yīng)的設(shè)備中。在整個(gè)LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)通過對應(yīng)的MAC 命令來完成一系列操作。首先，節(jié)點(diǎn)會對向服務(wù)器發(fā)送關(guān)于加入系統(tǒng)的信息，網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息之后會將信息上傳給終端服務(wù)器，服務(wù)器在接收到入網(wǎng)請求之后會同意節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，并將設(shè)備進(jìn)行注冊處理，生產(chǎn)通信秘鑰。其次，網(wǎng)關(guān)在接收到數(shù)據(jù)信息之后會將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行下放處理發(fā)出允許入網(wǎng)的指令信息。最后，對系統(tǒng)鏈路開展必要的檢查，如果檢查正常進(jìn)行數(shù)據(jù)或者指令的發(fā)送和確認(rèn)處理。

中心、中繼、終端設(shè)備編碼采取的是五倍十進(jìn)制數(shù)，中心號碼在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，取最小號作為參考，比如10000；五位ID 號碼前三位是一級中繼路由地址。中心計(jì)算機(jī)軟件會對中心設(shè)備添加所需要的ID 號碼，廣播報(bào)道號碼信息的應(yīng)用情況。如果中繼設(shè)備判定的目標(biāo)ID 和自身ID 基本一致，則是需要執(zhí)行中繼設(shè)備本身的系統(tǒng)操作；如果中繼設(shè)備判定的目標(biāo)ID 和自身ID 情況不一致，則是需要根據(jù)實(shí)際情況繼續(xù)判斷是否需要提供中繼服務(wù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，LoRa 無線通信技術(shù)形式在使用的時(shí)候具有低能耗、遠(yuǎn)距離傳輸、使用壽命長的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到水情監(jiān)測領(lǐng)域起到了十分重要的作用，且通過水質(zhì)監(jiān)測能夠有效改善現(xiàn)有的水質(zhì)情況，為水利信息化建設(shè)發(fā)展提供有力支持。