LoRa無線技術(shù)在無線水質(zhì)傳感器開發(fā)應用研究

楊永金

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-1214

摘? 要：為了有效改善水質(zhì)問題，解決監(jiān)測過程的難題，可以將LoRa技術(shù)與無線水質(zhì)傳感器技術(shù)結(jié)合起來，將其連接到微控制器上，在傳輸模塊匯集數(shù)據(jù)信息，并將其連接進入互聯(lián)網(wǎng)中，實時更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。采用此技術(shù)研發(fā)的水質(zhì)傳感器能夠精確監(jiān)測水質(zhì)變化，操作簡單、價格較低，能有效幫助養(yǎng)殖戶降低水產(chǎn)養(yǎng)殖風險，節(jié)約成本。該文主要敘述了LoRa無線技術(shù)在無線水質(zhì)傳感器開發(fā)應用過程中的有效策略。

關(guān)鍵詞：LoRa無線技術(shù)? ?無線水質(zhì)傳感器? ?開發(fā)應用策略? ?水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號： TP212.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（a）-0001-03

Development and Application of LoRa Wireless Technology in Wireless Water Quality Sensor

YANG Yongjin

（Xiamen Ocean Vocational College， Xiamen， Fujian Province， 361001 China）

Abstract： In order to effectively improve the water quality and solve the problems in the monitoring process， Lora technology can be combined with wireless water quality sensor technology， which can be connected to the microcontroller and collect data information in the transmission module， then connected to the Internet， and updated the database content in real time. The water quality sensor developed with this technology can accurately monitor the change of water quality， has simple operation and low price， and can effectively help farmers reduce aquaculture risks and save costs. This paper mainly describes the effective strategy of LoRa wireless technology in the development and application of wireless water quality sensor.

Key Words： LoRa wireless technology; Wireless water quality sensor; Develop application strategy; Water quality monitoring

水資源在工業(yè)發(fā)展、人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的價值與應用，需要保護水資源，實時監(jiān)控其污染程度，避免出現(xiàn)環(huán)境惡化問題，為未來發(fā)展奠定良好的基礎。

1? LoRa技術(shù)概述分析與主要研究目標

LoRa技術(shù)是一種將擴頻技術(shù)作為前提的無線傳輸技術(shù)之一，能夠讓用戶完成遠距離傳輸任務，降低通信過程的能耗狀況。在設計協(xié)議時，充分考慮了節(jié)點功耗情況、網(wǎng)絡容量大小、QoS和安全性等多個因素，使其能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信、移動化辦公的目標。在配置設計過程中，將省時省力原則貫徹到底，給使用者更廣闊的的使用空間，符合水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的設計理念及要求，能夠通過遠程監(jiān)控技術(shù)獲得目標水域的水質(zhì)信息狀況[1]。

傳感器能夠?qū)⒉煌腖oRa結(jié)點連接起來，通過協(xié)議完成傳輸數(shù)據(jù)的目標。在LoRa水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域，終端能夠?qū)⒉杉乃|(zhì)信息和終端地理信息結(jié)合起來，科學選用終端工作模式[2]。

2? 水質(zhì)監(jiān)測信息采集與傳輸模塊設計策略分析

2.1 基于LoRa技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測終端節(jié)點設計策略分析

首先，在選擇水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)及傳感器時，可以運用全方位、多層次的遙感與控制技術(shù)，建設有針對性的水環(huán)境補償機制，明確污染治理的重點環(huán)節(jié)，做好對飲用水水質(zhì)的監(jiān)控工作。在檢測地表水時，主要監(jiān)控幾個重點指標，分別是水溫、酸堿度、電導率、溶解氧程度、高錳酸鉀含量及氨氮有機碳含量。可以選擇常用的數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測水溫變化情況，輸出溫度信號信息。該傳感器的抗干擾能力較強，精確程度較高。在檢測水質(zhì)的清潔程度時，可以運用傳感器將電信號轉(zhuǎn)換成為模塊電壓信號輸出，獲得關(guān)于水質(zhì)清澈程度的數(shù)據(jù)信息。

其次，可以在監(jiān)測系統(tǒng)中安裝定位傳感器，獲得水質(zhì)情況的位置狀態(tài)信息。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是重要的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，能夠在大范圍內(nèi)為用戶提供更高精度、更強可靠程度的導航服務。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)短報文通信能力，具有局部導航、定位和授時功能，模塊精度較強，功耗較小，符合設計的基本要求，搜星速度較快，定位數(shù)據(jù)更加準確[3]。

2.2 基于LoRa技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)模塊設計策略分析

網(wǎng)關(guān)模塊設計主要是由樹莓派構(gòu)成的，這款電腦主板是由英國的慈善基金會研發(fā)的，運用5V/Micro USB的電源輸入模式，具有連接Wi-Fi、USB、藍牙、以太網(wǎng)等多個接口，開源軟件資源十分豐富，能夠滿足網(wǎng)絡的基本功能需求。在上傳代碼過程完成之后，可以發(fā)揮出LoRaWAN網(wǎng)關(guān)模塊的智能，簡化代碼流程，做好對數(shù)據(jù)包的處理工作，避免將受到的傳感數(shù)據(jù)信息直接轉(zhuǎn)發(fā)給服務器。

2.3 基于LoRa技術(shù)的服務器網(wǎng)絡架構(gòu)分析

TTN、LoRa server等均為主要的LoRa服務器，在多個國家范圍內(nèi)具有十分重要的應用價值。TTN能夠?qū)⒌凸脑O備連接到開源分散的網(wǎng)絡系統(tǒng)當中，提高應用交換數(shù)據(jù)效率，擴展網(wǎng)絡服務的范圍，豐富網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能。

LoRaOT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域較早創(chuàng)建的企業(yè)之一，在各種業(yè)務模式之下都可以提供可擴展的、分布的應用程序軟件。該運營過程在LoRa生態(tài)系統(tǒng)中擁有著獨特的定位信息，能夠與硬件產(chǎn)品直接接觸，與軟件服務系統(tǒng)集成，為物聯(lián)網(wǎng)應用程序提供了完整的解決方案[3]。

3? 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)策略分析

3.1 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求分析

在進行系統(tǒng)開發(fā)之前，需要詳細調(diào)研用戶的需求，明確系統(tǒng)需要解決的實際問題，提高系統(tǒng)成功的可能性。在完成需求分析之前，需要調(diào)研試驗環(huán)境功能，將結(jié)果確定為運行平臺、技術(shù)構(gòu)架等多個維度，確保系統(tǒng)的使用率及滿意程度能夠符合調(diào)研要求。可以根據(jù)調(diào)研結(jié)果確定系統(tǒng)的詳細功能，使其滿足實驗環(huán)境下的具體需求，根據(jù)可擴展性做好水質(zhì)監(jiān)測工作，根據(jù)后期實驗需求完成增加、修改或者刪除工作任務。

第一，可以將登錄系統(tǒng)的用戶身份分為普通用戶和管理員用戶兩個部分，給不同用戶以不同權(quán)限。例如：普通用戶可以查看監(jiān)控設備的地圖數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)信息，管理員用戶具有系統(tǒng)管理權(quán)限，能夠設置檢測設備、區(qū)域及閾值。在該系統(tǒng)中并未設置開放注冊模塊，需要提前給定用戶的賬號密碼及權(quán)限信息，提高用戶輸入數(shù)據(jù)時的安全性。

第二，在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，需要將采集到的數(shù)據(jù)信息接入到數(shù)據(jù)庫中，做好系統(tǒng)導入工作。經(jīng)過傳感器采集之后，傳輸系統(tǒng)能夠根據(jù)地理位置信息將固定格式的水質(zhì)信息上傳到LoRa網(wǎng)關(guān)模塊中。在收到數(shù)據(jù)包之后，網(wǎng)關(guān)能夠向服務器轉(zhuǎn)發(fā)、解析，并將其存儲到MySOL數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫可以通過數(shù)據(jù)庫中的JDBC接口調(diào)用數(shù)據(jù)信息，將其完整地展示在水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺中[4]。

3.2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的詳細設計策略分析

該系統(tǒng)將JAVA作為主要的編程語言，將多種框架整合起來。采用程序的分層控制模式能夠主動承擔起數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建行為，完成系統(tǒng)交互任務，向使用者呈現(xiàn)出相關(guān)數(shù)據(jù)信息，使其能夠按照視圖模塊需求完成用戶請求，有利于提高研發(fā)過程中的效率與質(zhì)量。

在用戶提出請求之后，水質(zhì)監(jiān)測客戶端會向服務器發(fā)出請求，促使服務器快速處理客戶端的表單請求信息，運用業(yè)務邏輯模塊中的邏輯方法完成處理任務，將水質(zhì)監(jiān)測終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息返回到JSP頁面中，促使用戶能夠在瀏覽器中觀察到請求頁面信息[5]。

3.3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)顯示功能分析

在實驗過程中，傳感器采集到的的空氣濕度、水的酸堿度及溫度等信息都會通過LoRa Server傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫當中，運用調(diào)用數(shù)據(jù)庫的方式將傳感器中的數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)出來，遠程檢測水環(huán)境情況。可以根據(jù)使用者的需求信息完善水質(zhì)檢測系統(tǒng)功能，對使用者進行分類，整合不同使用者的權(quán)限及系統(tǒng)資源信息，使其能夠完成地圖數(shù)據(jù)查詢、區(qū)域數(shù)據(jù)查詢、流域數(shù)據(jù)查詢等任務[6]。

4? 無線水質(zhì)傳感器設計原理分析

4.1 系統(tǒng)的硬件設計策略分析

在系統(tǒng)的硬件設計過程中，需要將微控制器作為整個站點的核心，使其能夠連接其他所有的模塊，將各種功能整合起來，運用低能耗的單片機結(jié)構(gòu)，引入可編程存儲器功能，確保在單芯片上具有靈巧的8位CPU。根據(jù)國內(nèi)的海水水質(zhì)標準，測定懸浮物質(zhì)、酸堿度、化學耗氧量、溶解氧程度等多種有害物質(zhì)信息，避免難分解有機物對水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

4.2 系統(tǒng)的軟件策略分析

在系統(tǒng)的軟件設計中，需要根據(jù)傳感器網(wǎng)絡的采樣點、站點及終點類型感知水質(zhì)參數(shù)。采樣點位于傳感器的末梢部分，在連接水質(zhì)傳感器時具有十分重要的應用價值，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)信息通過ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送出去。在搜集海洋數(shù)據(jù)時，站點屬于關(guān)鍵節(jié)點種類之一，需要在設定時刻按照順序讀取覆蓋區(qū)域的采樣點信息，將其傳輸給重點，通過GPRS模塊傳輸給互聯(lián)網(wǎng)服務器。為了獲得及時完整的數(shù)據(jù)信息，展現(xiàn)出系統(tǒng)強大的分析及展示功能，需要運用簡易有效的開發(fā)環(huán)境，引入國家標準水質(zhì)信息及數(shù)據(jù)，為實時水質(zhì)數(shù)據(jù)提供參考范圍，確保數(shù)據(jù)庫的完整性，增強數(shù)據(jù)庫的功能性與可靠性。

5? 基于LoRa技術(shù)的無線水質(zhì)傳感器設計

XW-LORA-LEAK是一種運用LoRa技術(shù)進行自主研發(fā)的智能型無線傳感器設計，密封性較好，具有良好的準確度及可靠度，能夠靈敏地感知到外界狀態(tài)信息，對指令做出快速回應。同時，安裝該系統(tǒng)具有較高的方便快捷性，經(jīng)過簡單快速部署之后即可獲得一個實用性較強的無線傳感器設計系統(tǒng)。在通信基站、精密機房、圖書館、賓館、飯店、展覽館、博物館、糧庫、倉庫、城市排水、高樓等積水漏液監(jiān)管的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用場景中具有較大的應用價值。

該產(chǎn)品的特點主要敘述如下：第一，基于LoRa技術(shù)的無線傳感器采用全密封設計結(jié)構(gòu)，具有較高的精度及可靠性，反應靈敏，能夠快速回應指令;第二，可以運用該產(chǎn)品檢測水資源、低于30%的酸堿、重油、輕油等物質(zhì);第三，自動化漏水檢測，方便查詢統(tǒng)計;第四，可設置數(shù)據(jù)采集時間間隔，可作為有線采集系統(tǒng)的替代方案，每間隔15 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，電池可工作24個月;第五，該產(chǎn)品具有超低功耗，具有遠程訪問的功能，屬于國家專利產(chǎn)品。

6? 結(jié)語

為了解決水源污染問題，順應監(jiān)測距離較遠的趨勢，改善通信干擾性較大的問題，可以運用LoRa技術(shù)設計出一種水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)，優(yōu)化節(jié)點設計策略，最小化時間到達差，運用算法實現(xiàn)低能耗、準確定位的目標，提高管理效率。

參考文獻

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