基于Lora 無線傳輸的水質環境監測系統設計

郝 斌，周亞平，張 坤

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，南京 210012）

1 Lora 無線傳輸技術概述

Lora 無線傳輸技術是美國公司研發和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離信息無線傳輸方案，和其他無線通信技術相比，LoRa 通信技術具有傳輸距離長、消耗低、成本低、方便部署的特點。Lora 無線傳輸技術最高接收靈敏度可達－148dBm，被人們廣泛的應用在遠距離、低功耗的物聯網無線通信市場，案解決了傳輸距離和功耗不匹配的問題，能夠為用戶提供一種精簡的，且能夠實現信息遠距離傳輸的具有較大容量的傳感網絡系統。

Lora 無線傳輸技術主要工作涵蓋世界范圍內多個方面的作用，具體包含433、470、868、915MHz 等。在具體操作的時候LoRa 芯片最高接收靈敏度提高20 ～25dB，和以往的信號傳輸相比更加方便快捷、靈敏。LoRa 技術在本質上是擴頻調制技術，借助信息科技發展背景下的數字信號處理技術和糾錯編碼技術形式能夠有效處理冗余的信息，且在操作的時候會及時糾正錯誤的代碼，在一定程度上減少數據信息被重復利用的繁瑣，提高數據信息的處理效率。

同時，LoRa 調制碼片的可配置范圍為比較廣闊，能夠對較大范圍內的無線電頻譜進行長距離的傳輸。用戶在分析頻譜的時候能夠直接從噪聲中提取數據信息。在一般情況下，提取的數據數量和擴頻因子存在密切的關聯。

2 水質環境監測發展現狀

水質環境情況監測系統信息主要傳輸方式包含RS232有線傳輸方式、4-20mA 電流有線傳輸方式、光線網絡無線傳輸、北斗衛星傳輸等。不同傳輸方式所適合應用的傳輸距離和傳輸范圍不同。從當前水質環境監測總體發展情況來看基本上解決了遠程傳輸的技術和距離問題，但是對于水利樞紐、水文站內短距離傳輸在當前沒有提出明確的解決方案。對于水量、水位、水流量等信息大多采用的是超短波的方式進行傳輸，且在信息傳播的過程中需要對周圍站點的頻率資源進行規劃。

3 基于Lora 無線傳輸的水質環境監測系統設計

3.1 系統軟硬件設計

（1）系統硬件設計。首先，傳感器。LoRa 模塊應用的目的是測量環境中的一氧化碳濃度、酸堿數值、環境溫濕度。其中，在測量一氧化碳濃度的時候會使用到MQ-7傳感器，在測量酸堿值的時候一般會應用到灰塵傳感器YW-51GJ。其次，電源設計。LoRa 模塊設計采用的是鋰電池組，電子組輸出的電壓為12V，而系統設計中的電壓為5V。因而在系統應用的過程中需要采取措施對模塊進行降壓操作，將輸出的電壓控制在5V 左右。最后，定位和數據存儲設計。系統設計采用全球定位系統，在綜合了射頻芯片、核心CPU 之后能夠將外路綜合打造成一個集成電路。

（2）系統軟件設計。系統軟件主要是用來處理數據信息，服務器會將收集到的數據繪制在地圖上，同時借助先進的儀器設備來隨時隨地的檢測節點的數據信息，為當地水資源的綜合監測提供完善的信息支持。

3.2 具體應用操作

節點通信具體分為節點激活、網絡加入、信息傳輸三個操作過程，節點在激活之后會將信息存儲到相應的設備中。在整個LoRaWAN 網絡中，節點加入網絡通過對應的MAC 命令來完成一系列操作。首先，節點會對向服務器發送關于加入系統的信息，網關接收到節點數據信息之后會將信息上傳給終端服務器，服務器在接收到入網請求之后會同意節點進入到網絡系統中，并將設備進行注冊處理，生產通信秘鑰。其次，網關在接收到數據信息之后會將數據信息進行下放處理發出允許入網的指令信息。最后，對系統鏈路開展必要的檢查，如果檢查正常進行數據或者指令的發送和確認處理。

中心、中繼、終端設備編碼采取的是五倍十進制數，中心號碼在整個網絡系統的最底層，取最小號作為參考，比如10000；五位ID 號碼前三位是一級中繼路由地址。中心計算機軟件會對中心設備添加所需要的ID 號碼，廣播報道號碼信息的應用情況。如果中繼設備判定的目標ID 和自身ID 基本一致，則是需要執行中繼設備本身的系統操作；如果中繼設備判定的目標ID 和自身ID 情況不一致，則是需要根據實際情況繼續判斷是否需要提供中繼服務。

4 結束語

綜上所述，LoRa 無線通信技術形式在使用的時候具有低能耗、遠距離傳輸、使用壽命長的特點，將其應用到水情監測領域起到了十分重要的作用，且通過水質監測能夠有效改善現有的水質情況，為水利信息化建設發展提供有力支持。