基于LoRa的低功耗水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陳麗 夏興隆 卜樹坡

摘要：水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測，可以提升水產(chǎn)養(yǎng)殖效率、實現(xiàn)科學養(yǎng)殖?？紤]到戶外監(jiān)測節(jié)點多、分布距離遠、供電不方便等特點，從低功耗電路設(shè)計、低功耗器件選擇、低功耗算法等方面進行優(yōu)化設(shè)計，使整個系統(tǒng)在電池供電條件下，滿足長時間戶外使用需求。同時，對一種低功耗廣域網(wǎng)（LoRa）無線通信距離進行優(yōu)化設(shè)計，滿足大面積養(yǎng)殖場地的應用需求。采用受限應用協(xié)議（CoAP）、輕量級的機器到機器（LWM2M）協(xié)議將信號上傳至OneNET平臺。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)休眠功耗為3 μA，工作時的平均功耗為22.68 μA，無線傳輸距離半徑不低于364 m。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);低功耗;遠距離無線通信;水產(chǎn)養(yǎng)殖;云平臺;CoAP

我國水環(huán)境污染嚴重，漁業(yè)水域環(huán)境質(zhì)量不容樂觀，水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境直接影響水產(chǎn)養(yǎng)殖成效，實時監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境可為科學水產(chǎn)養(yǎng)殖提供依據(jù)。與傳統(tǒng)人工采集相比，傳感器網(wǎng)絡的搭建對于推進水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化、科學化起到了積極作用。目前，已有不少研究者針對各類水環(huán)境參數(shù)設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)。部分采用基于Modbus協(xié)議的485通信方式，這種模式采用有線通信的方式，更適合在實驗室環(huán)境下對水質(zhì)進行分析[1]?？紤]到水產(chǎn)養(yǎng)殖場地在戶外，存在范圍廣、不易布線、供電困難等特點，這種場景下更合適使用無線監(jiān)測系統(tǒng)。姚達雯等采用紫蜂（ZigBee）技術(shù)與通用分組無線服務技術(shù)（GPRS）相結(jié)合的方式設(shè)計了適用于戶外的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，使用ZigBee進行節(jié)點信息采集、匯總，在匯聚節(jié)點處采用GPRS將數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)了多點低功耗實時遠程監(jiān)控[2]。孫卓在這一方式的基礎(chǔ)上，提出自適應高速數(shù)據(jù)采樣與傳輸、網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化的具體方法，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣萚3]。這種模式雖然可以滿足一定場景下水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，但是GPRS存在模塊啟動電流大的問題，將直接影響整個系統(tǒng)的功耗，而資費問題也將影響這一系統(tǒng)的推廣。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)不斷成熟，資費、功耗等物聯(lián)網(wǎng)應用最關(guān)注的問題也得到了改進。蔡向科等提出了一種基于 NB-IoT 和ZigBee的低功耗水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在功耗、節(jié)點生存周期等性能方面得到了顯著的提升[4]。在該系統(tǒng)中，主要通過設(shè)計采集周期自適應調(diào)節(jié)算法和發(fā)射功率自適應調(diào)節(jié)算法來降低節(jié)點功耗，但是采用該方法會造成一定的丟包率。另外，ZigBee最常用的頻段是2.4 GHz[5]，傳輸距離短，不帶低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA）的ZigBee模塊在室外開闊場地，傳輸距離小于110 m。增加LNA和PA，可以增加傳輸距離，但是會明顯增加功耗。對于諸如蘇州市陽澄湖這類大面積養(yǎng)殖場地，需要設(shè)置很多傳感器節(jié)點進行自組網(wǎng)來解決這一問題，大大增加了成本，顯然不能滿足應用需求。因此，探索一種低功耗、遠距離、高可靠的無線通信方式，對于提升水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測水平有著至關(guān)重要的作用。

與無線保真技術(shù)（WiFi）、ZigBee等基于 2.4 GHz 免執(zhí)照頻段的通信技術(shù)相比，基于頻率較低的Sub-GHz（頻率低于1 GHz）以下的頻段開發(fā)組網(wǎng)技術(shù)，具有通信距離遠，繞射能力強等特點，更適合大面積場景的信息傳輸。雖然這類技術(shù)頻率低，存在傳輸速度慢的問題，但是在養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測過程中，傳感器信息數(shù)據(jù)量較小，完全能滿足該場景的應用需求。在眾多基于Sub-GHz頻段開發(fā)的通信技術(shù)中，長距離（LoRa）技術(shù)具有通信距離遠、運行可靠、低功耗、低成本等特點，在郊區(qū)最大傳輸距離可達15 km，在小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膽脠鼍爸芯哂忻黠@的優(yōu)勢[6-8]。LoRa技術(shù)在LoRa聯(lián)盟的大力推廣下，已有通用的通信協(xié)議，逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)應用的重要支撐技術(shù)。與LoRa相比，NB-IoT也是最具潛力的無線通信技術(shù)，目前運營商們都在大力推廣這一技術(shù)，由于NB-IoT技術(shù)基站數(shù)量多，且能直接將數(shù)據(jù)通過云平臺中轉(zhuǎn)，能很方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)控，LoRa不具備這一優(yōu)勢[8]，但是采用這種技術(shù)，需要支付額外的費用，當節(jié)點數(shù)量較多時，成本較高。

結(jié)合LoRa和NB-IoT的優(yōu)勢，本研究設(shè)計出一種適用于大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并從低功耗器件選型、能量回收、優(yōu)化通信方案3個角度對系統(tǒng)進行低功耗設(shè)計，滿足戶外場景的應用需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括水環(huán)境信息監(jiān)測節(jié)點、基站、云平臺，整體架構(gòu)如圖1所示。其中，信息監(jiān)測節(jié)點包括水環(huán)境信息采集、信息傳輸功能?？紤]到LoRa技術(shù)通信距離及低功耗的需求，本研究主要采用星型網(wǎng)絡架構(gòu)，這種架構(gòu)不需要復雜的路由協(xié)議，更利于實現(xiàn)低功耗。每個信息監(jiān)測節(jié)點通過溶氧傳感器、pH值傳感器等采集養(yǎng)殖區(qū)域的水環(huán)境信息，通過LoRa模塊將信息發(fā)送至基站。基站通過LoRa模塊接收各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，基站搭載NB（窄帶）模塊，將收集的監(jiān)測信息上傳至云平臺，使用者可以通過云平臺進行遠程實施監(jiān)控。

2 低功耗節(jié)點硬件設(shè)計

信息監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)信息采集、無線通信。系統(tǒng)由STM8型單片機、LoRa通信模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成。其中，水質(zhì)傳感器又包括pH值傳感器、溶氧傳感器。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個系統(tǒng)的核心器件為單片機，相比無線基站處理的大信息量數(shù)據(jù)，單個節(jié)點任務的處理難度較低、數(shù)據(jù)量較小，對單片機的要求并不高，因此選擇了性價比高、穩(wěn)定可靠的STM8系列單片機。單片機通過RS485串行接口與傳感器模塊進行通信，同時增加低功耗供電及數(shù)據(jù)模塊，當休眠時，用于切斷工作電源以降低功耗。通信模塊與單片機連接，可進行雙向通信。通信模塊選擇支持LoRa的SX1278模塊，該模塊可實現(xiàn)遠距離無線通信，且抗干擾能力強，該模塊通過串行外設(shè)接口（SPI）總線與單片機進行通信。整個節(jié)點系統(tǒng)中，不同模塊的工作電壓不同，大部分均在3.3 V下工作，各類水質(zhì)傳感器在12 V下工作，需要進行升壓處理。

與基站相比，本研究的低功耗硬件系統(tǒng)節(jié)點的數(shù)量多，位置分散，且無法實現(xiàn)外部供電，對低功耗要求更高。本研究中，低功耗節(jié)點的硬件設(shè)計主要從以下幾方面實現(xiàn)。

2.1 超低功耗電子器件應用

為了滿足超低功耗的節(jié)點需求，對于節(jié)點中最核心的單片機模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、無線通信模塊均選取低功耗電子器件。

單片機模塊選取意法半導體（ST）公司的STM8L052型超低功耗單片機，該單片機待機功耗小于0.8 μA，非常適合超低功耗的節(jié)點組網(wǎng)控制。

電源轉(zhuǎn)換芯片采用超低功耗升壓直流轉(zhuǎn)換芯片SGM66099，該芯片能夠把1.1～3.3 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V的恒定輸出電壓，并且工作功耗僅為0.6 μA，是一種超低功耗的升壓電池管理芯片。

無線通信LoRa通信模塊采用高度集成化封裝芯片S78F，該芯片將Semtech公司的1 278芯片、匹配網(wǎng)絡、LNA低噪放芯片、晶振集成在一塊芯片內(nèi)，與傳統(tǒng)的無線模塊搭配周邊電路的模式相比，大大降低了LoRa模塊的工作電流，提高了無線性能及無線采集節(jié)點的可靠性。

2.2 低功耗電路

低功耗電路包括電源開關(guān)電路、電源轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集電路3個部分。通過電源開關(guān)電路的通斷控制后續(xù)電路供電，定時打開數(shù)據(jù)采集電路進行數(shù)據(jù)采集以實現(xiàn)低功耗。

2.2.1 電源開關(guān)電路 電源開關(guān)電路由3V電池供電，輸出電壓是由POWER-ON開關(guān)信號控制的3 V電壓。通過圖3的電源開關(guān)電路實現(xiàn)電池電能的輸出。當開關(guān)信號為高電平時，N型金屬氧化物半導體管（N-MOS）Q3打開，控制P型金屬氧化物半導體管（P-MOS）Q2導通，輸出3V電壓;當開關(guān)信號為低電平時，2個MOS管均關(guān)閉，不消耗電池電量。

2.2.2 電源轉(zhuǎn)換電路 整個硬件電路中，不同器件需要不同的工作電壓。8路RS485芯片和光耦芯片的工作電壓為5 V、傳感器工作電壓為12 V，其余芯片工作電壓均為3 V。因此，需要設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路，將電源開關(guān)電路的3 V輸出分別升壓至5 V和12 V。

圖4給出電源轉(zhuǎn)換電路，通過DC-DC變壓器，將電源開關(guān)電路的輸出電壓升壓至12 V。經(jīng)過LDO芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)至5 V電壓進行輸出。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集電路 數(shù)據(jù)采集電路由485芯片、光隔離模塊組成，如圖5所示。J1接傳感器，通過485芯片進行信號轉(zhuǎn)換，經(jīng)過光隔離模塊送至單片機。當不需要采集時，單片機通過電源開關(guān)電路將電路關(guān)斷，而控制信號RXD、TXD、DIR均輸出高電平，使信號線沒有漏電流存在，實現(xiàn)零功耗待機;當需要采集信號的時候，打開電源進行數(shù)據(jù)采集。

2.3 超低功耗的脈沖式采集方法

通過降低采集、通信時間的占比，實現(xiàn)低功耗工作及組網(wǎng)。

通過本研究策略，LoRa無線組網(wǎng)的電流小于 15 mA，時間小于40 ms，連接頻率為10 min/次，平均電流可以通過公式（1）進行計算。

節(jié)點的待機總電流小于3 μA。通過計算，節(jié)點的平均電流為22.68 μA。1 μA年耗能為 8.76 mAh，因此理論計算得到該系統(tǒng)年功耗為19868 mAh。按照2 000 mAh的5號電池容量計算，理論上節(jié)點可以使用10年?？紤]到電池本身的壽命，整個系統(tǒng)采用電池供電方案的使用壽命大于5年。

3 基站硬件設(shè)計

一般基站數(shù)量少，同時選擇可以方便接入外部電源的位置進行安裝。因此，即使基站工作電流較大，通常也不需要低功耗的特殊設(shè)計。如圖所示，整個系統(tǒng)核心器件為單片機，考慮到網(wǎng)關(guān)需要處理來自各節(jié)點的信息， 處理難度大、 過程復雜、數(shù)據(jù)量大，因此選擇搭載了ARM內(nèi)核的STM32L微控制器，該系列產(chǎn)品處理能力較強、穩(wěn)定可靠，適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)搭載與節(jié)點相同的LoRa模塊，用于實現(xiàn)與節(jié)點間的通信，該模塊與單片機間通過SPI總線進行通信。同時，系統(tǒng)搭載了移遠的BC28 NB-IoT 模塊，通過窄帶蜂窩網(wǎng)絡將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 信息監(jiān)測節(jié)點

節(jié)點負責采集信息并將采集到的信息匯總到網(wǎng)關(guān)。節(jié)點工作流程如圖7所示。

節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)，節(jié)點定時喚醒，單片機進入工作狀態(tài)并讀取傳感器信號，判斷是否有無線信號，如果有無線信號則將信息通過通信模塊發(fā)送給無線基站。整個流程結(jié)束后，系統(tǒng)再次進入休眠狀態(tài)。如果沒有無線信號，直接進入休眠狀態(tài)。

4.2 基站軟件設(shè)計

基站負責收集節(jié)點的信息并將信息上傳至云平臺。基站工作流程如圖8所示。

開始工作后，STM32微控制器判斷從第1個節(jié)點開始，向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令;發(fā)送后，等待節(jié)點響應，并讀取節(jié)點采集的信息，并將信號發(fā)送至云平臺。

判斷變量N是否小于節(jié)點數(shù)，當數(shù)量小于節(jié)點數(shù)則加1，繼續(xù)輪詢下一個節(jié)點采集到的信息;當N到達節(jié)點數(shù)后，將N重置1。

所有流程結(jié)束后，延時一定時間，重新開始輪詢節(jié)點采集到的信息。

5 數(shù)據(jù)上傳至云平臺

本研究采用NB-IoT硬件模塊，并通過該模塊將信息上傳至OneNET平臺，數(shù)據(jù)上傳采用CoAP+LWM2M協(xié)議。其中， CoAP作為傳輸層協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)上傳的報文格式。

整個報文包括版本號、報文類型、TKL標志符長度、響應碼和報文編號。

CoAP協(xié)議定義了4種不同形式的報文：CON報文、NON報文、ACK報文和RST報文，不同形式的報文表示不同的服務質(zhì)量?？紤]到統(tǒng)一由網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)上傳，選擇CON報文，通過重發(fā)的方式以降低丟包率。

這種協(xié)議可以采用Token動態(tài)鑒權(quán)信息進行鑒權(quán)。Token由version、res、et、method、sign這幾個參數(shù)構(gòu)成，分別表示版本號、訪問資源、過期時間、簽名方法、簽名結(jié)果。計算后得到如下Token值：

該值為動態(tài)值，根據(jù)過期時間設(shè)置結(jié)果決定有效時長，以提高安全性能。

Option中給出報文選項，通過報文選項可設(shè)定CoAP主機、CoAP URI、CoAP請求參數(shù)和負載媒體類型。

6 性能測試與分析

本研究旨在設(shè)計低功耗的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，功耗測試是重要的評估指標之一。同時，考慮到遠程監(jiān)測的需求，無線通信距離直接影響節(jié)點、網(wǎng)關(guān)的鋪設(shè)數(shù)量。因此，系統(tǒng)設(shè)計完成后，對以下指標進行測試。

6.1 功耗測試

功耗測試主要集中在2個功耗較大的器件：通信模塊和水質(zhì)傳感器模塊。

經(jīng)過測試，給出無線通信時LoRa模塊的工作電流脈沖如圖9所示，將采樣電阻（10 Ω）串聯(lián)到LoRa模塊的電源輸入正極，采樣電壓、脈沖分別為40、150 mV，計算得到的電流脈沖分別為4、15 mA，時間分別為3、37 ms，脈沖周期為10 min，由式（3）計算得到平均電流約為0.95 μA，略小于理論計算值。

水質(zhì)傳感器電流采樣電阻為0.2 Ω，采樣脈沖電壓為56 mV，計算得到的脈沖電流為280 mA。傳感器工作時間小于 40 ms，功耗也略小于理論計算值。

6.2 無線傳輸距離

LoRa技術(shù)的開發(fā)最初主要定位于低傳輸信息量的應用場景，開發(fā)目標為一次發(fā)送信息量不超過幾個字節(jié)[9]。該技術(shù)采用線性調(diào)頻擴頻技術(shù)[10]，既可保持像頻移鍵控調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯增加了通信距離，提高了網(wǎng)絡效率并消除了干擾。該技術(shù)的主要參數(shù)包括帶寬、擴頻因子和碼率。這些指標直接影響通信效率，它們與比特率、信號在空氣中的持續(xù)時間的關(guān)系可由式（4）、（5）表示[9]。

通常，可以通過設(shè)置擴頻因子[11]，調(diào)節(jié)比特率和信號在空氣中的持續(xù)時間。當擴頻因子大于2時，擴頻因子越大，比特率越小，傳輸速度越慢。信號在空氣中持續(xù)的時間隨著擴頻因子的增加呈指數(shù)上升趨勢。擴頻因子越大，傳輸距離越遠，理論傳輸距離可達到幾十公里;在距離要求相對較低的情況下，也可以通過減小擴頻因子，來提高信息傳輸速度。當BW=250 kHz、CR=4/5時，信號持續(xù)時間、波特率與擴頻因子的關(guān)系如圖11所示。

無線接收信號強度（RSSI）值、丟包率是通信性能的主要評價指標。本研究對這2項指標進行測試，同時考慮環(huán)境對測試結(jié)果的影響。根據(jù)上述分析，將LoRa的擴頻因子定為8，信號發(fā)射功率設(shè)為LoRa SX1278芯片的最大發(fā)射功率20 dBm。在測試過程中，依次穿過樓宇、灌木叢等障礙物。

不同測試距離下的測試結(jié)果如圖12所示，RSSI值與信號傳輸距離（d）的關(guān)系呈對數(shù)關(guān)系下降。具體關(guān)系如公式（6）所示，其中r2為0.969 2，擬合效果較好。

當距離小于等于364 m時，丟包率均為0。當距離超過382 m時，丟包率隨著距離增加而增加，也就意味著距離對丟包率的影響明顯增加。

7 結(jié)論

本研究基于LoRa通信技術(shù)，設(shè)計了應用于養(yǎng)殖環(huán)境場景的信息采集系統(tǒng)。在綜合考慮功耗、通信距離等因素的情況下，對系統(tǒng)進行了低功耗優(yōu)化設(shè)計。通過選擇一系列低功耗器件、設(shè)計低功耗電路、優(yōu)化通信過程等方式，實現(xiàn)低功耗及遠距離信息采集。該系統(tǒng)休眠功耗為3 μA，工作時的平均功耗為22.68 μA，采用電池供電，可實現(xiàn)5年以上的續(xù)航工作。在擴頻因子為8，信號發(fā)射功率為 20 dBm 的情況下，RSSI值隨著通信距離增加，呈對數(shù)下降。通信距離不超過364 m時，通信效果較好，可推測對于通信范圍可以覆蓋半徑364 m，占地面積為41.6萬m2的養(yǎng)殖區(qū)，安裝一個基站，就能滿足大部分養(yǎng)殖場地的需求。

參考文獻：

[1]祁建廣，李寶營，李仁慶. 超低功耗水質(zhì)pH檢測儀設(shè)計[J]. 儀 表技術(shù)與傳感器，2017（3）：118-120，126.

[2]姚達雯，周國平，王鑫鑫，等. 基于WSNs-SMS的低功耗水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（11）：109-112.

[3]孫 卓. 基于WSN和ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2017，25（24）：96-100.

[4]蔡向科，高振斌，范書瑞. 一種低功耗水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2018，45（4）：47-50.

[5]謝寧俊，侍孝一，楊 潔，等. 基于nRF24L01模塊的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（21）：67-71.

[6]龔天平. LoRa 技術(shù)實現(xiàn)遠距離、低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸[J]. 電子世界，2016（10）：115.

[7]Mohamed A，Axel S. Free space range measurements with Semtech LoRaTM technology[C]// 2nd international symposium on wireless systems within the conferences on intelligent data acquisition and advanced computing systems. Offenburg：IEEE，2014：19-23.

[8]徐冬冬. LoRa與NB-IoT技術(shù)開啟物聯(lián)網(wǎng)新格局[J]. 科學技術(shù)創(chuàng)新，2017（24）：116-117.

[9]Augustin A，Yi J Z，Clausen T，et al. A study of LoRa：long range & low power networks for the internet of things[J]. Sensors，2016，16（9）：1466.

[10]趙 靜，蘇光添. LoRa無線網(wǎng)絡技術(shù)分析[J]. 移動通信，2016，40（21）：50-57.

[11]Petajajarvi J，Mikhaylov K，Pettissalo M，et al. Performance of a low-power wide-area network based on LoRa technology：Doppler robustness，scalability，and coverage[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks，2017，13（3）：1-16.李志國，羅會龍，劉兆宇，等. 雙壓縮機密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)性能研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2021，49（3）：182-186.