基于LPWA技术的无线水质监测云系统研究

2022-08-29沈晓萍田立武

现代信息科技 2022年12期

沈晓萍，田立武

（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴 314036）

0 引言

传统的水质监测中，通过人工手段或站点监测等方法进行定时定点的采样检测，实时性较差，监测样本数量受限，成本也比较高；往往还采用有线通信方案进行数据传输，需要进行布线，花费高昂的人工和设备成本。随着物联网技术不断发展，低功耗广域技术（Low Power Wide Area,LPWA）的不断成熟，提供了基于LPWA 技术实现水质监测的实现方案，相较传统的水质监测系统，在距离、能耗、大链接、性价比等方面具有优势。

1 LPWA 技术发展现状及优势

万物互联网的时代，越来越多的终端设备需要接入网络，原有的无线通信技术，如ZigBee、BlueTooth、Wi-Fi 等，已远远不能满足物联网技术的发展需求。现有的无线通信技术为适应各种复杂环境，一方面向低时延、高速率及高可靠性发展，另一方面也在向低速率、低功率、远距离与大连接方向演进。万物互联的趋势推进了LPWA 技术的发展，主流的LPWA 技术包括eMTC、NB-IOT、Sigfox 与LoRa 等，主要业务为文本类，可适用于低功耗、低速率、广覆盖及大连接的物联网应用场景。经过这几年的发展，目前在国内形成了LoRa和NB-IoT两大技术阵营，现越来越多地应用于智能抄表、共享单车、智能楼宇、智慧城市等应用场景，如图1所示。

图1 物联网无线通信技术的方向发展

IoT 是一种整合的技术，早些年因为传感设备、通信技术等发展受限，近两年因为上述技术有了较大突破，现进入调整发展的快车道，连接量也呈现井喷趋势。预计到2025年全球物联网总连接量将达到270 亿，预计2025年广域物联网连接量中45%将使用LPWA 技术，如图2所示。

图2 2015-2025年全球LPWA 技术连接数在广域物联网中的占比

如今，低功耗广域网因为能够以低电量实现超长待机较长距离通信，是首选的WSN 技术之一，该技术可通过缩小带宽或通过在更宽的频率范围内扩展信号的能量来增强接收器的信噪比（SNR）。LPWA 技术，如LoRa、Sigfox、NBIoT 等，具备了覆盖范围广、自组网能力强、实时性好、功耗低等特点，可实现水质状况的自动化和无线化监测、监测数据的远距离传输，同时数据可上传至云平台，协助管理员远程实时进行水质监测。

其中，LoRa（Long Range Radio）是Semtech 公司创建的低功耗局域网无线标准，是当前LPWA 技术的主流技术之一。LoRa 技术之所以能同时做到低功耗和远距离，是因为采用了扩频调制技术，将频带进行展宽处理，可实现在同等功耗下相较传统无线射频通信距离扩大3 ～5 倍，与采用其他调制技术的无线传输系统相比较，其传输距离更远，覆盖面积更大，同时还可减少系统灵敏度。另外，该技术采用了前向纠错编码技术（FEC），可大大增强信号传输的可靠性。LoRa 运行在ISM 频段，主要为433 MHz、868 MHz、915 MHz 等频段，这些频段为免费频段，不需要支付额外的费用，相比NB-IOT 和蜂窝通信使用的1 GHz 以下频段，该频段是授权的，需要额外收费。

2019年11月28日，工信部根据《中华人民共和国无线电管理条例》发布了2019年第52 号公告，对微功率短距离无线电发射设备生产、进口、销售和使用进行了规范。其中提到“470 ～510 MHz 限在建筑楼宇、住宅小区及村庄等小范围内组网应用，任意时刻限单个信道发射。”这意味着LoRa 拿到了合法身份，这也意味着拿到合法身份的LoRa会与NB-IoT 正式下场比试，争夺移动物联网的C 位。

在水质监测领域，ZigBee 技术虽然具有自组网特性，但是传输距离近；Wi-Fi 和蜂窝技术虽然传输速率快，但受到运营商的限制，费用较高。LoRa 技术在其他条件相同的情况下，与Wi-Fi、ZigBee 技术相比，具有传输距离远、覆盖范围广、功耗低等优势，非常适合应用于水质监测系统。

2 系统设计

本系统中无线部分采用LoRa 节点和LoRa 网关进行数据采集和汇聚，然后通过RS485、CAN 总线进行数据传输，可实现多种类型传感设备的灵活部署；为适应水质监测系统的现场条件，需综合考虑低功耗和远距离等要素，同时满足物联网中双向数据通信的安全可靠性能，采集到的数据汇总至LoRa 网关后可传送至云平台，管理人员通过云平台实时监测水质情况，还可通过云平台下达控制命令至LoRa 节点/LoRa 网关。

系统总体框图如图3所示。系统可分为pH 酸碱度监测终端、LoRa 基站（主控模块、网关等）、云平台以及应用终端四部分。

图3 系统总体框图

2.1 数据采集部分的研究与设计

在水质监测过程中，pH 酸碱度是非常重要的一项指标，该值主要用来衡量水溶液中氢离子和氢氧化物离子的相对量。pH 值定义为：

其中H+为氢离子浓度，单位为摩尔/升。溶液的pH值范围为0 ～14，中性溶液的pH 值为7，酸性溶液的pH值小于7，碱性溶液的pH 值大于7。

本项目中，主要采集pH 值、温度等传感数据作为监测数据。选用BPHT 型pH 值温度变送器，该单元支持在线一键校准、实时温度补偿、电极松断报警、掉电保护、过压保护，可广泛应用于各种需要对pH 值、温度进行测量与控制的场合。信号输出与pH 值的对应关系如表1所示。

表1 信息输出与pH 值对应关系

2.2 数据传输部分的研究与设计

采用LoRa 远距离无线传输技术，以实现远距离、低功耗无线通信。与频移键控、二进制启闭键控调制技术相比，LoRa 技术因为采用了前向纠错和扩频调制技术，不仅扩大了无线通信链路的覆盖范围，同时提高了链路的鲁棒性。LoRa 的调制速率：

式中，表示带宽；表示扩频因子。发送信号为恒包络信号，每赫兹每秒发送一个码片。

在开发过程中，可通过调整、等参数，对系统中的通信速率、空中包存活时间、抗干扰性能等参数进行优化。当带宽和编码率不变时，增加扩频因子可实现延长传播时间和提高接收灵敏度，同时也对频率参考源的稳定性提出了更高的要求。

LoRa 提供了显式和隐式两种数据包格式。数据包格式如图4所示。

图4 LoRa 数据包格式

射频模块采用利尔达LSD4RF-2F717N30，它是LoRa SX1278 470 M 100 mW 标准模块，可实现高性能的无线收发功能。SX1276 的带宽为7.8 ～500 kHz，扩频因子为6 ～12，电路图如图5所示。

图5 LSD4RF-2F717 模块电路图

2.3 主控部分的研究与设计

主控部分采用STM32L 系列芯片，32 位ARM Cortex-M3内核，超低功耗类别，其中ADC 可配置成12 位精度，能满足系统精度要求，属于超低功耗类别，可较好适应水质监测的应用场景。通过STM32L 微处理器实现对硬件采集终端流程的设计，编写驱动程序以实现对采集模块的控制，同时驱动无线通信模块完成数据的接收和发送处理。主控部分电路图如图6所示。

图6 主控部分STM32L 系统芯片电路

电路设计框图如图7所示，可分为四大模块，电源模块作为供电部分，需要为其他三个模块供电，传感器模块作为终端模块采集数据，主控模块作为系统的指挥中心，无线通信模块实现无线收发，从而实现采集水质监控信息上传至云平台。

图7 硬件设计电路框图

2.4 云平台的设计和实现

通过云平台实现管理人员可以随时随地登录平台查看监测终端节点工作状态。物联网云平台整合了物联网技术和云计算技术，架设在IaaS 层上，下层连接和控制物联网终端设备，上层面向应用层，实现数据的集中控制和存储。物联网云平台是物联网体系中的中枢神经，主要作用是实现向下连接终端设备，向上对接应用层。

物联网云可分为公有云和非公有云两种模式，这里非公有云包括了私有云、混合云、专有云等。公有云部署采用标准化模式，具有高开放性、低成本开发、高可复用性等特点，成为大多数中小型企业在部署物联网云时的首选技术方案。近几年，国内IoT 云平台的发展也是如火如荼，知名的有百度IoT，阿里物联，中移物联等，可实现物联网数据服务、过云协同服务，提供丰富组件，帮助快速完成应用部署。

本项目中采用NLECloud 云平台作为云端数据的存储处理中心，分别实现消息准确性以及高效传输，对大量的终端进行数据查询等操作，如图8所示。数据大屏效果如图9所示。

图8 NLECloud 云平台

图9 数据大屏

3 系统软件开发

本系统软件开发环境使用STM32MXCubeMX+MDKARM（Keil5）。利用STM32MXCubeMX 进行GPIO 端口、调试端口、MCU 时钟数、中断、定时器等功能配置，生成基于MDK-ARM 集成开发环境的初始代码，然后导入到Keil5 开发环境中添加逻辑功能模块，完善代码。

3.1 LoRaMac-node

LoRaMac-node 协议栈是LoRaWAN 协议的具体实现，它将各个层定义的协议封装在一起，以函数的形式实现，为用户提供可直接调用的应用层API，开发人员可在此基本上修改完善。在本项目开发过程中，需首先将SX1278 的驱动程序移植和适配到LoRa 模块上。在LoRaMac-node 中集成了LoRa 的驱动程序代码和MAC 层，我们在此基础上进行功能开发。此处整理用到的关键函数如表2所示。

表2 关键函数

3.2 LoRa 传感节点

网关节点和其他传感器节点处于同一无线网络中，确保网络ID 一致，在工作时，通过轮询其他传感节点设备读取传感器节点的数据，LoRa 网关在收到响应数据后，将对应的数据域提取出来，通过NLECloud 平台上的设备列表信息完成对环境现场的pH 酸碱度、温度、湿度等信息的监测。本项目中为适应不同场景，适配两种类型pH 酸碱度变送器。当使用BPHT-V05，可实现0 ～5 V 电压输出，测PH 范围为0.0 ～14.0 pH，可适用于电镀、食品加工、污水处理、环保等场合。传感端上传至云平台中各数据域信息提取如表3所示。

表3 各数据域信息对照表

在工业应用中，数据通信广泛采用Modbus-RTU 通信协议，在本系统开发过程中，充分考虑应用场景，设计了支持Modbus-RTU 通信协议。Modbus-RTU 通信协议数据格式为10 位异步通信方式，包括1 个起始位，8 个数据位和1 个停止位，无奇偶校验。Modbus 采用RTU 方式，变送器这里只开放03H、10H 功能码。功能码03H 为读寄存器，请求和响应的数据格式如表4和表5所示。

表4 主机请求

表5 变送器响应

功能码10 H 为写寄存器，请求和响应的数据格式如表6和表7所示。

表6 主机请求

表7 变送器响应

当上位机发送的功能码、寄存器地址、寄存器数据和数据错误时，将回复错误代码。这里返回的错误代码中，01H代表功能码错误；02H 代表数据地址错误；03H 代表数据错误；06H 代表数据帧长度错误；0CH 代表CRC 校验错误。在调试过程中，可根据上述错误代码进行排错。

3.3 LoRa 网关节点

LoRa 网关节点和传感器节点要确认在同一个无线网络中，在定义网络编号和设备地址时，MY_NET_ID（网络ID）要保持一致，ADDR_MIN 和ADDR_MAX 需根据现场接入节点数量进行设置，注意最大设备地址通常不小于2。通过进程函数LoRa_ReadSensorProcess（uint8_t AddrMin，uint8_t AddrMax）轮询传感器节点。