基于LoRa通信的城市河道污水排放监测系统设计

　　摘要：为解决传统河道污水排放监测方式中存在的弊端，文中提出了基于LoRa通信的城市河道污水排放监测系统。采用LoRa协议实现传感器节点与LoRaWAN网关之间的数据传输及命令控制，通过网关将数据发送给云端数据服务器，监测中心Web客户端从云端调取数据进行分析处理。在河道排污口安置LoRa终端节点，监管人员无需到达现场，只需通过监测中心Web客户端的数据分析及报警提醒等即可了解排污口情况。并在实际环境中对系统进行测试分析。测试结果表明，该系统实现了传输距离远、覆盖范围广、功耗低以及监测中心能够实时获取监测数据的设计目标。

　　关键词：物联网技术；低功耗；LoRa；污水排放监测

　　中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-03

　　0引言

　　环境保护是社会的热点话题，如何进行高效的环境监管是目前监管部门致力解决的难点[1]。一直以来排污口的巡查管理主要依赖于人工巡查，而这种传统巡查方式人员成本、时间成本高[2-3]。同时违法企业在掌握了人工巡查的时间规律后，往往选择避开巡视人员的巡查偷偷排放，使污水排放无法实现有效监控[4]。

　　近几年来，物联网技术飞速发展，应用信息化智能管理成为各邻域的发展趋势[5-6]。其中具有低功耗、远距离传输特点的LoRa通信技术得到了广泛应用[7]。本文采用LoRa技术设计开发了城市河道污水排放监测系统，以解决传统人工巡查方式存在的弊端[8]。

　　1监测系统设计

　　1.1系统总体设计

　　本文系统分为感知层、数据传输层、网络层和应用层。LoRa终端节点安装在河道排污口监管区域，作为感知层，实时采集排污口的信息。LoRa终端节点通过LoRa协议将传感数据发送到LoRaWAN网关，网关将数据发送到云端服务器。在应用层，监测中心Web客户端通过云端服务器获取实时数据，并对数据信息进行分析处理，在网页上以图表等直观形式呈现给管理人员。管理人员通过观察报警提醒或Web客户端上记录的数据变化，能及时掌握排污口情况，节约了管理人员的巡查时间，提高了监管效率。系统总体设计如图1所示。

　　1.2LoRa终端节点设计

　　终端节点是组成感知层LoRa节点网络的基本单元，负责数据采集和网关通信。本文系统设计的LoRa终端节点由STM32低功耗微处理器、LoRa通信模块SX1278、各类传感器、电池构成。LoRa终端节点结构如图2所示。

　　1.3网关设计

　　由于LoRaWAN网关是连接终端节点与云端服务器的重要设备，需要强大的运算能力支撑网关。本文选用具有

　　1 GHz主频和512 MB运行内存的树莓派处理器[9]，保证了网关并行处理数据的运算能力。网关系统采用的SX1301芯片具有高达-142.5 dBm的接收灵敏度[10]，具有49个虚拟通道以及可采用ADR技术等特点[11]。支持多信道多数据的并行处理，同时可以实现天线分集，有效降低同频干扰，提高抗干扰能力，实现更远距离的传输[12]。网关采用太阳能供电以提高网关部署的环境适应性、移动便携性。

　　1.4Web客户端

　　Web客户端的服务器端使用 Node.js语言开发，前端UI使用React开发，采用MySQL数据库存储排污数据。

　　对从云端服务器接收排污口发来的数据进行处理，并存储到MySQL数据库。在基于Node.js语言开发的服务器上，利用React开发Web页面。在Web界面上，可以实现以图表形式实时显示数据及历史数据等功能。Web客户端界面如

　　图3所示，Web客户端程序设计框图如图4所示。

　　2测试结果

　　2.1LoRaWAN网关性能测试

　　LoRaWAN网关作为向下连接LoRa终端节点、向上连接云服务器的中间枢纽，其数据传输时的丢包率和传输覆盖范围是关注的重点。故本文对这两项指标进行了测试，持续工作周期为30天，分别在空旷地区与密集建筑区进行了测试。

　　2.1.1网关系统丢包率测试

　　采用节点发送模拟数据的方法精确分析网关接收节点数据的丢包率。在持续工作的30天内，以不同的发送间隔进行每天1 000条数据的测试。测试结果见表1所列。

　　表1网关系统接收数据丢包率测试结果

　　发送间隔/s 运行时间/天 发送数据/条 接收数据/条 丢包率/（%）

　　60 5 5 000 4 895 97.90

　　5 5 000 4 889 97.78

　　5 5 000 4 879 97.58

　　120 5 5 000 4 944 98.88

　　5 5 000 4 910 98.20

　　5 5 000 4 924 98.48

　　总计 30 30 000 29 441 98.14

　　2.1.2网关的覆盖范围测试

　　LoRa通信模块在户外的覆盖范围对网关系统具有重要意义，分别在开阔地区和密集建筑区进行了测试。如图5（a）所示，在校区附近开阔地区进行了通信距离测试，网关天线位于A处，在B，C，D三个地点分别进行测试，测试结果见表2所列。

　　表2开阔地区通信质量测试结果

　　测试点 距离网关

　　距离/m 通信成功

　　率/（%） 平均接收场强（RSSI）/dBm 平均信噪比（SNR）/dB

　　B点 1 050 100 -65 3.5

　　C点 1 470 100 -71 3.2

　　D点 1 620 100 -82 2.6

　　如图5（b）所示，在高层楼宇覆盖区进行了穿透能力测试，网关天线位于A处顶层，在E，F，G三个地点分别进行测试，测试结果见表3所列。

　　表3密集建筑区通信质量测试结果

　　测试点 距离网关

　　距离/m 通信成功

　　率/（%） 平均接收场强

　　（RSSI）/dBm 平均信噪比（SNR）/dB

　　E点 90（间隔两栋学生公寓） 100 -85 3.1

　　F点 280（间隔四栋高层建筑） 100 -98 1.7

　　G点 250（横穿两栋学生公寓） 100 -113 1.6

　　测试结果表明，在有着复杂环境干扰的校区附近，虽然RSSI值较低，但是SNR值较好，依然具有良好的通信成功率。由此可见，LoRa采用扩频技术后，在稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度方面表现良好。

　　2.2LoRa终端节点的功耗测试

　　2.2.1休眠模式功耗测量

　　休眠参数是LoRa节点功耗测试的关键指标[13]，理论上SX1278的休眠电流为1 A，STM32L休眠电流为560 nA，其他传感器设置为无工作时关闭。在实际测试中，LoRa模块发送数据结束后进入休眠状态，此时LoRa模块休眠电流为1.1 A。

　　2.2.2运行模式功耗测量

　　（1）酸碱度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为10 ms，工作电流为34.4 mA；

　　（2）浊度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为10 ms，工作电流为7.76 mA；

　　（3）温度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为10 ms，工作电流为10 mA。

　　LoRa节点每两分钟完成一个采集周期。LoRa节点各动作工作电流见表4所列。

　　终端节点一个周期（2 min）内消耗的平均功率为：

　　（1）

　　式中：Ii为不同动作的电流；Tj为不同动作的工作时间。根据式（1）和表4计算可得：

　　Pav=13×0.19+10×132.7+10×0.3+10×7.76+

　　890×46.7=42 973.07（mAms） （2）

　　所以使用容量为3 800 mAh的电池供电，理论上可支持节点工作天数T（天）：

　　（3）

　　表4LoRa节点各动作工作电流

　　动作 工作时间/ms 平均电流/mA

　　唤醒动作 13.00 0.19

　　酸碱度传感器 10.00 132.7

　　温度传感器 10.00 0.3

　　浊度传感器 10.00 7.76

　　The RAK811节点 890.00 46.7

　　2.3Web客户端测试

　　在Web客户端的界面地图上可实时显示各监测点位置及数据情况，当监测的数据高于预先设定的阈值时，发出报警提醒。Web客户端地图显示如图6所示。Web客户端可实现一天、一周、一个月等数据的曲线分析，可直观看出近期监测点的排污情况，数据曲线如图7所示。

　　3结语

　　本文系统为当前的城市污水排放监测提供了一种新型方法，解决了传统人工巡查方式人员成本、时间成本高和对不良企业偷排现象监管效果差等问题。通过一系列测试，本文系统基本实现了低功耗、远距离传输的设计目标，以及在监测中心Web客户端实现数据实时显示和报警提醒等功能，可有效提高监管效率。

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　　柯佩佩，刘广伟，程淑伟，吴春玲，吴亚斌，冯蕾

　　（南开大学滨海学院，天津300270）