基于LoRa物联网技术的城市环境中水质监测系统的设计与实现

李欣敏

（利诚检测认证集团股份有限公司，广东 中山 528400）

0 引言

快速的城市化和人口增长对清洁水有很高的需求。然而，河流污染对经济发展和人类健康造成了严重影响[1]。将水质监测项目纳入综合水资源管理实现可持续发展目标的目的是监测水质状况，保证水资源管理不受污染和气候变化等外部因素的影响。水质指数标准和国家水质标准提供了水特性的物理、化学和生物定性分析数据[2]。在实际监测中，水质的一些数据会随时间而变化，手动测量会影响数据精度。因此，该文设计了一种支持人工水质监测的自动水质监测系统，该系统能够及时传输数据，在降低成本的同时，提高数据的准确性[3]。

工业革命4.0时代物联网的发展通过无线网络的辅助连接物理和数字领域。在水质监测系统中嵌入物联网特性可以提高数据的准确性，减少人为干预，系统的寻址功能对确定适合的网络类型至关重要[4]。LoRa源自啁啾扩频（CSS）技术，使用空气接口，以低功率和低成本提供广泛的无线电覆盖。它适合于低数据传输速率的环境监测项目。该文旨在测试LoRa在基于物联网架构的水质连续监测系统中的适用性[5]，该系统采用LoRa节点作为无线传感器网络（WSN），将采集的水质数据传输到单个LoRa网关，对采集的数据进行分析，并通过开发的仪表板快速决策系统将结果传输给水环境学家。该文为LoRa网络的评价提供了依据。

1 概述

1.1 水质监测系统

水资源综合管理项目在操作层面上强调水质监测，以保障水资源的安全性。它可以验证水质现状，并将其结果与环境对水资源的影响联系起来。人工方法和连续方法都是通过提供基于水质指数标准和国家水质标准的水质特性来完成工作的。基于联合国水环境规划的水质参数的潜在核心组包括氧、盐度、酸化、氮和磷。这2种方法都需要将对水质的深刻认识作为参考。采用现场采样或无线传感器网络进行人工连续采样，并对样本进行分析，提取用于水系统决策的信息。但是，当选择系统中隐含的无线网络时，自动方法需要表明监控目标。

1.2 无线网络作为水质连续监测的技术因素

无线网络是工业4.0革命时代的机制关键之一。它是设备之间相互连接的通信接口，可以进行信息交换。将物联网系统应用于水质连续监测可以提高应用效率。每种类型的无线网络都有自己的可信度，这与它对应用系统的职责对应。

1.3 LoRa技术

LoRa技术是2个不同层的编译：1） 物理层（PHY）采用CSS调制技术，可以增强对噪声的LoRa强度以及在信号传输过程中受益于分配带宽的任何频率退化机制。该调制技术实现了正交扩散因子（SF），能够优化每个节点的功率水平和数据速率。这样，即使在信噪比较低的情况下也能降低能量消耗，提高接收机的解码效率。2） 应用层利用LoRa PHY调制方式生成节点与运行在星型拓扑中的网关之间的通信，并与主机层进行数据交换，控制传输线内的射频信号，从扩频因数、带宽和编码率3个方面配置LoRa调制，以适应工作环境。

1.4 LoRa相关工作绩效评估

LoRa调制利用SF与带宽和编码率集成，以确保传输服务对最终数据速率的影响。频率越高，传输距离越远，处理增益越大，接收灵敏度越高，但是传输速率越低。编码率是控制有效载荷数据中正向纠错（FEC）量的可靠单位，在物理层实现，对传输线内的射频信号进行管理。考虑非视距（NLOS）条件和城市环境中的多径传播信号，需要验证无线介质对路径损耗、阴影和多径衰落的表征。因此，物联网平台上获取的信号值必须与收发器的灵敏度水平协调。前人研究了不同网络性质下LoRa网络的性能。瑞士的研究人员将LoRa网络用于洪水早期探测。他们表示，在距离为500 m的范围内，接收节点和水位传感器节点之间不存在丢包。对LoRa网络来说，虽然监测移动的生物有点困难，但是在监测5.5 km距离的野生动物时的帧损耗高达2%，功率为20 dBm。不同的应用和情况有不同的LoRa性能。在以往研究的基础上，可以根据不同的应用目标使用不同的网络参数来分析其性能。

2 方法

该系统过程涉及水质传感器的确定、供水站点的设计、LoRa节点的WSN属性设置以及水质参数和LoRa性能的数据分析。

2.1 水质参数及站位设计

水质监测装置原型包括2个位于鱼塘不同位置的LoRa节点。2个节点与单一LoRa 网关的高度和距离都不同。2个驻地都配备了5 V太阳能电池板。水浸传感器是在检查了规范、其在室外环境下运行的耐久性和DF机器人分发器分销商提供的数据表后选择的，所选传感器内置于以ESP32作为微控制器的工作站中。由于增益为1 dB的接收天线不适合户外环境，因此将其设置在小区的屋顶阳台内。该接收机工作频段为920 MHz～ 923 MHz，适用于亚洲地区。P1位于网关Rx的视线范围内，P2位于障碍物之间，如图1所示。

图1 水质监测装置原型位置示意图

2.2 LoRa终端的设计与实现

LoRa终端采集水样pH、浊度、总溶解固体（TDS）、溶解氧（DO）和温度等水质情况，将它们加入LoRa网络并定期将数据发送到监控App。该文根据终端需求，设计并实现了LoRa终端的硬件和软件。同时，为了实现低功耗性能，在电源管理模块硬件设计和终端嵌入式软件设计中，不仅实现了电源分类控制方法，而且还实现了定时休眠和监控机制。通过上述方法和机制，可以实现终端电源的长期、稳定运行。

2.3 发射机系统实施测量

发射节点采用ESP32-LoRa32，工作频率868 MHz/ 915 MHz，传输功率高达20 dBm。该设备操作频移键控（FSK）调制模式，数据速率为1.2 kbit/s～300 kbit/s。终端设备通过LoRaWAN网络服务器将获取的数据发送到网关。数据传输也每30 s调整1次，以减少能源消耗。2种不同发射功率发射机的LoRa特性配置见表1。考虑终端节点数量和网关单，LoRa技术优先采用星型拓扑，以保证设备的生命周期。

表1 Lora参数设置

2.4 水环保仪表板设计

仪表板通过物品堆栈v3.14.2的LoRaWAN版本MAC V1.0.2和LoRa Cloud与LoRaWAN服务器集成，开发的应用程序仪表盘可以可视化水质数据。

2.5 数据分析

利用部署的WSN采集水质数据，以理想的水质值评价水质的性质。在已开发的仪表板中显示数据的平均值，以确定水的状态并对水的类别进行分类。LoRa在RSSI和SNR上的性能显示在物品堆栈服务器上，服务器中显示的数据作为验证丢包数据的参考。

3 结果与分析

3.1 水质性质分析

由于缺少WQI测定所必需的化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）和氨态氮，因此无法对水质进行分类。这些性能只能通过人工实验室测试和校准才能获得更高的精度。尽管如此，该文使用的水参数能够确定水是否可以饮用。通过移动应用的仪表板可以实时观察2个（P1和P2）站点的水质数据，使水环境保护者能够对水的状态进行监测。

从云中提取水站采集的存储数据进行分析，2个水站的水质比较结果见表2。当温度保持在25 ℃时，水体中的微观物质会影响一些水态参数。pH值易受自然因素的影响，如果pH值超出其通常范围，就可能是受外界因素的影响。此外，pH值会随时间而变化，因此实时获取pH值是很重要的，2个站点的pH值分别为6.965和7.000，表明水体未受外来元素的污染。获得的pH值可分别归类为I类和II类。浊度特性检查可干扰水生态系统生产力的过量悬浮物质。浊度的期望范围在0 NTU～5 NTU，2个水站得到的浊度值分别为219.55 NTU和56.27 NTU。因此，这2个地点的水状况下降到III级浊度特征。总溶解固体（TDS）是水中的有机和无机物，TDS值越高，盐度越高。此外，它还可作为超标化学污染物存在的指示物。同时，可参考TDS值来确定是否可作为饮用水的来源，根据世界卫生组织的标准，TDS的饮用水标准值范围为50 mg/L～300 mg/L。由表2可知，P1点水体的TDS值超过500 mg/L，不推荐饮用。溶解氧（DO）是指示水生生物赖以生存的氧气量的重要指标。2个水站的DO平均值均为8 mg/L，属于II类水体。

表2 获得的各水站水质参数平均值

综上所述，与P2的水体相比，P1的水体受到了轻微的污染。TDS和浊度平均值差异较大。虽然这2个水体都没有受到危险因素的影响，但是仍需要采取预防措施，以防止任何污染爆发。因此，以所提供的结果作为支持决策系统，可以使水环境学家及时检查水的状况。

3.2 LoRa效果评估

在双环境下进行静态试验。天线增益为1 dBi的接收器位于室内，两端节点置于室外鱼塘。该试验是评价LoRa在自主水质监测中的性能的重要依据。2个发射节点Tx位于距离地面0.62 m的高度，但与接收机高度Rx不同，Rx的高度为4.13 m。节点P1和P2与接收器的距离分别为4.30 m和10.95 m。每个末端节点向接收器发送10个总有效载荷。记录P1和P2的RSSI和SNR值。RSSI的可接受值大于-120 dB，而LoRa的良好信噪比值大于-20 dB。

表3总结了P1和P2点网络设置一和网络设置二的RSSI、SNR、丢包和接收功率的网络特性结果。P1放置在网关的视线范围内，因此传输信号能够以其最佳能力运行。它可以通过传输过程中获得的RSSI值来验证。P1的RSSI范围均在可用RSSI范围内，SF均为7和9。当传输功率为14 dBm时，其中一个RSSI值在-44处获得了理想的RSSI值。信噪比值在+10 dB以上时也表现出良好的性能。如图2所示，P1也没有丢失包记录，其路径损耗随传输功率和SF的变大而变小。

P2的网络性能结果见表3。P2位于NLOS，与接收器距离较远，且远于P1位置。根据表3可知，虽然RSSI值不理想，但是仍在可接受的RSSI范围内。RSSI值随着SF的减小和传输功率的增大而增大。在P2处的信噪比值显示LoRa网络在终端节点与网关之间存在障碍物的情况下仍有较好的性能。当分布系数SF为7、传输功率为5 dBm （5，SF7）时，有明显的丢包现象，但仍在1%以下。因此，它并没有极大地影响数据包的数据传输。P2的路径损耗如图2所示。对比图2中P1和P2点可以看到，路径损耗值随着节点到网关距离的增加和NLOS效应的增加而增大。降低传输功率可以降低LoRa的性能，但是功耗低。此外，它仍然适用于低速率数据类型，例如水质数据（网络属性的范围仍然在可接受的范围内）。

图2 P1和P2点的路径损耗

表3 P1和P2点的网络设置一和二的网络特性结果

LoRa终端的功耗是决定系统工作寿命的关键因素，也是基于LoRa设计的水质环境监测系统的优势所在，对该系统的推广应用具有重要意义。高精度电阻串联在LoRa端子与电源之间。通过1个示波器测量电阻在3个工作阶段的电压差。根据欧姆定律可以计算LoRa端子的工作电流。测试电阻阻值为10 Ω。在55 min的第一阶段，示波器测量到的电压差为23 mV，LED两端的电压差为15 mV，因此所需电路两端的电压差为8 mV。也就是说，系统电流消耗为0.8 mA。而在5 min的预热阶段，示波器测得的电压差约为400 mV。也就是说，系统电流消耗为40 mA。在读取和传输阶段，示波器测得的电压差约为1.2 V。也就是说，系统电流消耗为120 mA。因此，一个周期的平均电流消耗如公式（1）所示。

式中：Ti为工作阶段i的持续时间；Th为一个周期的持续时间，Th=60 min。

将表4数据代入公式（1），计算得到Ih为5.06 mA。2节AA电池的容量约为3000 mA，这意味LoRa终端电源由2节AA电池在该系统中可以运行长达592 h。

表4 LoRa终端功耗

4 结语

该文达到了将LoRa网络应用于自主水质监测系统的目的：1） 该智能系统可实时访问即时决策系统，降低污染爆发的可能性。2） LoRa是智能地球发展中物联网应用的理想无线网络，具有能耗低和可以远程使用的优点。增加SF值可以增加网络覆盖率，但会导致RSSI值降低。它还增加了能源消耗，从而影响了设备的寿命。3） 基于信噪比、RSSI、报文数据丢失、接收功率和路径丢失等指标对LoRa的性能进行评价。通过增加终端节点之间的距离，可以提高LoRa的性能，减少丢包数据的冗余。4） 系统的效率可以通过LoRa网络的几个网络参数来调整。该文所展示的从无线传感器网络采集的水质属性值仪表盘证明了LoRa拥有低成本、低功耗运行且不丢失数据包的优势，可以作为智能系统的无线网络。