基于LoRa的低功耗無線水質傳感器設計與研究

楊永金

【摘要】? ? 水質環境變化多端，需要運用新型傳感器完成對水環境的實時監測任務，提高水產養殖效益與質量，實現科學養殖的目標。本文主要敘述了基于LoRa的低功耗無線水質傳感器的有效設計策略。

【關鍵詞】? ? LoRa技術? ? 無線水質傳感器? ? 低功耗系統

水環境受到了較大的污染導致水域環境質量較差。需要做好實時監測工作，運用LoRa技術設計出無線水質傳感器系統，提高對水質情況的分析效率。

一、基于LoRa低功耗無線水質傳感器的設計意圖分析

通過物聯網監測水質情況變化，可以使水產養殖戶隨時隨地了解養殖水體水質變化情況，即可降低養殖風險，還可以研究水質變化規律，總結出適合的養殖技術，提高經濟效益。近幾年國內已有多家公司推出物聯網水質監測設備與產品，但是總體來說基本都存在設備昂貴、安裝維護困難、成本高等問題。基于lora的低功耗無線水質傳感器大大簡化了設備的組成與結構，不但可以大大降低成本，更重要的意義在于結構簡單，安裝維護非常容易，適合大量推廣?？梢詫⒃摷夹g應用于廣大中小水產養殖產業中，如池塘養殖、高位池養殖、網箱養殖、工廠化養殖等。

目前物聯網水質監測設備可以敘述如下。第一，設備集成型，將水質監測儀、電源、通信集成在一個配電箱中。第二，物聯網水質監測儀產品，包括主機岸邊安裝、傳感器放于水池中、主機和傳感器整體這兩個主要部分，使用時整機放置于水池中。同時，兩種類型的產品通信模式主要是采用2G/4G移動網絡。

目前國內水產養殖業已經有一部分開始采用網絡水質監測設備進行水質的監測，但由于價格高、設備維護困難等因素，限制了這些設備的推廣，能夠使用的養殖戶有限。目前遠程水質監測儀的價格低則幾千，高則上萬，有能力購買的養殖戶比較少，目前的水產養殖戶使用率不足1%;雖然市場對遠程水質監測儀的需求不少，但目前的價格決定了市場規模還不夠支持商家在各個地區建立自己的營銷及售后網絡，因此代理商是目前水質監測產品的銷售及售后渠道，而產品維護的困難程度及專業需求使得代理商比較難以完成好這一工作，這反過來也降低了代理商銷售的意愿。

雖然遠程水質監測儀可以降低養殖風險、提高經濟效益，但種種因素限制了產品的推廣，用戶本身對產品還有更高的期望?；趌ora的水質傳感器，由于結構簡單，安裝、維護的難度都很低，用戶自己都可以完成這些工作，另外，由于成本的降低，購置、使用門檻降低，產品開發后可以大量推廣，使廣大中小養殖戶受益。

二、基于LoRa的低功耗無線水質傳感器主要創新內容分析

將水質傳感器、lora通信、傳感器采集電路、電源管理、電池模塊集成在一起，形成一個監測節點，監測節點將數據發送到數據基站或數據集中器。該產品的特點可以被敘述如下，第一，采用電池供電的方式，產品功耗低，使用過程無需更換電池。第二，產品結構簡單，但是融合了多個學科知識技術，產品的安裝使用都可以由用戶自己完成，使用方便快捷。第三，國內已有無線水質傳感器主要是基于zigbee系統，lora相對其它無線局域網的優點是信號覆蓋面積大、遮擋物穿透力強，更適合應用場景，具有更大的應用潛力與應用空間。

本系統主要采用基于stm32L051與lora模塊開發3種無線水質傳感器，傳感器使用1節3.6V900mAH的電池供電，傳感器采用每隔10或15分鐘采集一次數據通過數據集中器發送到云服務器上，用戶通過APP 進行水質監測，傳感器在不發送數據期間處于休眠狀態，傳感器平均功耗小于30uA時，1節電池使用時間達2年以上。經過各種傳感器50套以上的樣機試制及實地使用經驗，傳感器硬件電路和程序能夠更加完善。本系統設計主要解決的科學技術問題有：第一，各模塊功能的設計須綜合考慮各種工作環境，具有高可靠性。第二，傳感器電路集成信號處理、lora通信、主控、電源管理，以stm32L051單片機作為系統集成的數據采集及控制的核心。第三，lora通信問題，與集中器的通信距離不低于1.5Km，信號穩定，不掉線。第四，由于所處的環境惡劣，整個系統須具有高電磁兼容性、防水、防潮、防曬、防腐。

該系統有望應用于廣大中小水產養殖戶，如水庫網箱養殖、池塘養殖、工廠化養殖、高位池養殖。各養殖戶可根據實際需要，選擇相應指標的無線傳感器。

三、基于LoRa的低功耗無線水質傳感器設計的主要思路分析

3.1將無線水質傳感器作為重要節點

首先，傳感器包括傳感器信號處理、電源管理、lora通信模塊并以stm32L051單片機作為控制核心。其次，需要做好設計控制系統硬件和軟件的工作，主要框架如下圖1所示。

再次，主控stm32L051控制電源管理，其它模塊有主控決定何時供電，能夠控制電量消耗狀況。需要自主研制溶氧水溫傳感器、pH及orp傳感器，提升其在市場上運用的成熟程度。經過團隊自主完成對電路的設計與板載程序的設計，由團隊及第三方共同設計完成無線傳感器結構及殼體。最后，經過不斷的修改與完善，無線傳感器樣機應用于實際的水產養殖環境中調試結果較好，最終獲得一套可量產推廣的產品方案及各傳感器樣機及完整的產品方案。

3.2 lora集中器

集中器作為無線傳感器數據上報的中心，集中器通過gprs或4G網絡與服務器連接。同時，無線傳感器節點與集中器形成無線局域網，因采用私有lora通信協議，局域網系統保證多節點分時上報，以免多個節點同時上報數據發生空中碰撞導致數據丟失。LoRa集中器部分運用串行接口與外部設備相結合的方式完成數據及指令的交互功能，有效縮短了通訊所需的距離與實踐，使得待機電流維持在較低水平，在水質監測場景中具有較大的應用價值。

在水質傳感器的節點較多時，需要確保傳感器的探頭安裝點與數據采集點之間維持一定的通信距離，避免因共模電壓、接地點差別等因素產生的信號干擾較強等弊端，在設計電路時將電源及數據通信過程隔離起來，避免串入過程的發生，切實提高系統運行過程的可靠性與有序性。數據通信總線上安裝有多個機收發器，能夠確保多個傳感器之間的通信過程，將微小的數字隔離器安裝到通信電路當中，展現出隔離器出眾的特點，在水質監測場景中具有重大的應用價值。

3.3服務器及軟件系統

首先，在通信服務方面，可以運用Modbus協議訪問傳感器，完成長距離的數據采集任務。該協議在工業生產中具有十分廣闊的應用空間，具備標準化程度較高、開放性與兼容性較強、運行穩定可靠等優勢，能夠提高幀格式的穩定性與可靠性，提高讀取數據的效率與質量。在對傳感器數據的收集工作之后，可以將節點序號、工作模式及故障狀態結合起來，經過有效整合之后轉發給LoRa模塊，將其傳遞給水質檢測部門，提高檢測系統運行的效率，順利完成數據分析工作任務。其次，在節點工作過程中，STM32會在上電完成之后立即完成設備初始化任務，將LoRa模塊接入外網。在聯網成功之后，各個傳感器的數據信息會被依次讀取，監測電源工作的基本狀態，確定科學合理的系統工作模式。在此過程中，需要設置好RTC定時工作參數，將數據打包之后由LoRa模塊遠程發送到網關，避免定時器進入休眠狀態。在并未產生定時中斷時，需要確保節點時刻處于休眠狀態中，在定時器中斷之后完成喚醒任務，以便快速進入下一環節的工作循環中。在通信過程中，數據信息會在STM32處獲得指令信息，等待傳感器的回應。若在最大響應時間之內，傳感器并未作出回應，需要作出關于傳感器故障的判斷。若傳感器做出了回應，可以校驗數據的冗余性信息。在校驗失敗之后，可以重新運行上傳機制，當上傳次數大于設定值時，即可判定傳感器工作狀態異常，產生了故障。在通信過程結束之后，可以將傳感器的數據信息、故障狀態信息及其他數據信息合并起來，一并上傳。最后，水質變化速率較低，需要確定科學合理的數據監測頻次，有效降低水質傳感器的功耗情況。當節點處于不工作的休眠狀態時，需要自動喚醒節點，使其快速切換到工作狀態。在此過程中，可以根據電源狀態信息將節點的工作情況分為不同模式，確保充電的充足程度。

3.4將數據上傳到云平臺

運用硬件模塊可以將數據信息上傳到云平臺中，確保數據上傳協議的科學合理性。報文具有版本號、報文類型、TKL標志符號、相應代碼及報文編號幾種標志。CoAP協議具有多種不同類型的報文，如CON報文、NON報文、ACK報文及RST報文等，需要根據所需的服務質量確定報文類型。網關能夠完成數據的統一上傳任務，可以采取重發的方式有效降低丟包率，運用動態鑒權信息完成鑒別任務，將訪問資源類型、過期時間數據、簽名策略等參數考慮其中，獲得準確的Token值。該計算過程具有動態性，需要根據過期時間選擇合理的設置結果，提高系統工作的安全性能，及時確定請求參數信息及負載媒體的類別。

四、系統的性能測試與分析

首先，在能耗測試方面，通信模塊和水質傳感器模塊的耗能較高，需要經過測試之后獲得關于LoRa模塊的工作狀態信息，獲得電流脈沖圖。采樣電阻會串聯到LoRa模塊的電源正極及負極上，確保采樣電壓及脈沖維持在40、150mV水平上，計算得脈沖周期為10分鐘，平均電流大小為0.95微安，明顯小于理論計算值，整體能耗比理論情況下低。

其次，在低傳輸信息應用場景中，LoRa技術具有重要的應用價值，可以將發送信息量維持在幾個字節之內。運用線性調頻的方式能夠有效降低像頻的低功耗，增加通信距離與實踐，提高網絡系統的工作質量與效率，有效排出多種干擾。帶寬、擴頻參數及碼率都會參與到該技術運行過程中，需要合理調整各個參數的信息，提高信號持續傳輸時間，調整波特率與擴頻因子之間維持合理關系。

五、結束語

基于LoRa技術設計出的無線水質傳感器能夠有效提高信息傳輸效率，降低系統能耗、增大通信距離，獲得良好的系統優化結果。可以將選擇低功耗器件、電路、提高通信過程的優化效率等步驟結合起來，完成遠距離的信息采集任務。在設計過程中，需要不斷優化服務器及軟硬件系統的工作性能，將LoRa技術作為重要節點，將數據存儲在云平臺中。

參? 考? 文? 獻

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