基于LoRa的低功耗水產養殖水質監測系統設計*

張 琴， 戴 陽， 楊勝龍， 張 衡， 崔雪森

(1.中國水產科學研究院 東海水產研究所 農業部東海及遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090；2.上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

0 引 言

水產養殖業的迅速發展，在水產養殖中，水質的優劣將會直接影響到養殖效益的高低，傳統的方式是通過人工使用儀表進行水質參數的采集，耗時耗力，采集范圍小，成本高，實時性差等缺點[1]。隨著無線通信技術的飛速發展，無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)在各個領域得到了廣泛應用，大批的研究人員設計水質監測系統使用該技術，和傳統方法相比，擁有實時性高、智能化、可擴展性好等優點。有學者[2]提出基于WiFi進行數據的傳輸，此類方法傳輸帶寬寬，傳輸速率高，但是傳輸距離近，功耗較大，并不適合遠距離傳輸。大部分學者[3～6]采用ZigBee技術組建無線傳感器網絡，組網能力強，短距離，通過改變網絡拓撲類型來提高通信距離，雖然擴展了網絡覆蓋的范圍，但犧牲了電池使用壽命，抗干擾性和網絡容量。上述的無線傳輸技術均側重于構造低功耗局域網，對于大面積的高產成魚塘和海洋牧場等并不適合。LoRa技術是近兩年越來越廣泛使用的無線通信方式，屬于低功耗廣域網技術的一種[7]。

為了改進水產養殖水質參數采集的局限性，本文提出通過LoRa技術對采集的數據進行傳輸，設計一種基于LoRa技術的無線傳感器網絡，完成對水質參數進行大面積的實時采集和監控，采用星型網絡，降低組網的復雜度，進行靈活部署，構造低功耗遠距離的監測系統，符合實際需求。

1 水質監測系統總體設計

對于不同的水產品對水質的要求也是不同的，因此選取水產養殖主要需求的溫度，pH值作為監測參數，進行實時監控。該系統的具體框架主要是由終端節點、無線網關和負責監測的上位機構成。將終端節點放置在待監測區域中，采用電池為終端節點供電，為提高節點的使用壽命。

2 低功耗無線傳感器節點硬件設計

在實際的水質監測中，節點由電池供電，能量的消耗決定系統工作周期，因此要求傳感器節點可以長時間工作，硬件結構設計要簡單化，減少不必要的能量消耗。無線傳感器網絡需要對數據進行高頻率的收發，能量的消耗主要是微控制器和射頻模塊，硬件設計中主要是對這兩部分進行低功耗設計。終端節點結構如圖1所示，包括電源模塊，傳感器模塊，主控模塊和SX1278射頻模塊組成。

圖1 無線傳感器節點結構

2.1 SX1278射頻模塊

無線傳感器網絡的無線通信模塊選取Semtech公司開發的SX1278射頻模塊，主要采取LoRaTM遠程調制解調器。LoRa調制技術[8]采用的是基于線性調頻信號(Chirp)擴頻技術，同時結合了前向糾錯編碼和數字信號處理技術，與傳統的FSK調制技術相比，不僅擴大了無線通信鏈路的覆蓋范圍，而且還保持了低功耗的性能。用戶自行決定擴頻因子(SF)，擴頻調制帶寬(BW)和糾錯率(CR)這三個關鍵參數，在鏈路預算、抗干擾性，數據速率和頻譜占用度之間達到平衡。SX1278的工作頻率為433 MHz，在同等的發射功率之下低頻的傳輸距離更遠，覆蓋范圍更大，可以彌補WiFi、藍牙、ZigBee等低功耗局域網技術的不足。SX1278的主要特性還有發射功率最大可以達到+20 dBm，擁有-148 dBm的高靈敏度，傳輸速率低，適合低速率通信，并采用星型的組網方式優化網絡結構，能節約中繼器成本，簡化安裝，延長使用壽命，可靠性高，滿足大面積的無線傳感器網絡的構建和進行數據的傳輸。

2.2 微控制器模塊

微功耗控制器使用較多的是TI公司的MSP430和ST(意法半導體)公司的STM8系列，在性能不相上下的情況下，選擇相對便宜的STM8L單片機，為了后期傳感器節點可以更好的推廣。STM8L[9]是一種8位的低功耗單片機，擁有其他模塊所需的SPI通信接口，小于1μA的實時時鐘和其他外設，內置4～32 KB的Flash，多達2 kB的SRAM，可以滿足數據采集所需的空間，可以在-40～+85 ℃的溫度下正常工作，有5種低功耗模式，分別是5.4 μA的低功耗運行模式、3.3 μA的低功耗等待模式、1.1 μA的主動停機模式(RTC運行)和350 nA的休眠模式，完全滿足低功耗系統的方案。除了硬件本身的低功耗特性，降低MCU功耗還可以對I/O接口進行處理，在不使用的情況下，設置為輸入口，防止能量的不必要消耗。

2.3 傳感器模塊

溫度傳感器采用DS18B20數字式溫度傳感器[10]，直接輸出數字信號，不需要處理和轉換,具有體積小，精度高，超低的硬件開銷，抗干擾能力強，測量溫度范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，系統選用具有不銹鋼外殼的防水封裝結構，適合對水溫進行測量。單片機利用DS18B20單總線的特點，連接一個4.7 kΩ上拉電阻器，通過該導線對傳感器進行初始化并完成溫度的采集。

在水產養殖的過程中，pH是判斷水質參數的重要參數之一，本系統采用的是上海雷磁公司的E—201—C型，抗干擾能力強，電極為全屏蔽式，可以防止測量時外電場的干擾，由玻璃電極和參比電極組合的塑殼可充式復合電極，復合電極輸出的電壓信號為毫伏(mV)級，并且本身具有極大的內阻，電壓的變化幅度較小，需要設計調理電路，對信號進行放大和平移，將放大后的信號轉化為0～3.3 V，以達到微控制器所需要的A/D(模數)電壓。pH電極信號調理電路設計如圖2所示，采用的是精密雙路運算放大器TLC4502芯片，采用自校準技術，可以解決時漂和溫漂問題，進一步提高A/D轉換的精度，且硬件簡單。

圖2 pH值調理電路

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件節能技術

無線傳感器網絡在完成水產養殖的水質監測功能的同時，功耗決定系統工作長短，由于水質監測波動范圍有限，并不需要一直監測水質參數信息，傳感器節點絕大部分時間是處于休眠狀態[11]。傳感器節點使用電池供電，假設電池初始容量為I，節點一個工作周期的能量消耗為I0，N代表傳感器節點的工作周期次數，可以得到節點工作周期的次數如下

N=I/I0

(1)

I0=Isltsl+Isetse+Irtr

(2)

式中Isltsl為節點休眠狀態的能耗，Isetse為節點發送數據的能耗，Irtr為節點接收數據的能耗，在本系統中傳感器節點一個工作周期為定值，是各個工作狀態時間之和。節點的工作周期次數可以表示為

(3)

在節點初始能量不變的情況下，要使節點工作周期次數增加，需要降低一個工作周期的能耗I0，通過式(3)可知，在一個工作周期之內，可以降低節點在各個狀態下的時間或者能耗。系統硬件已經選擇低功耗微控制器，通信模塊和大容量電池的情況下，需要合理設計軟件程序，增加節點使用期限。

在整個無線傳感器網絡中，傳感器和主控模塊所需能耗的分量較小，能量的消耗主要是無線通信模塊，合理有效地設置無線通信模塊的消耗，才能使整個系統達到低功耗設計。如表1所示，是SX1278射頻芯片的典型功耗規格，可知休眠狀態的能耗遠遠小于接收和發送模式下的能耗，即在保證節點完成發送接收數據的前提下，進入休眠模式。

表1 SX1278各狀態下的功耗規格

無線傳感器網絡中，媒體訪問控制(MAC)的性能直接關系到整個網絡的性能，在MAC協議中傳感器節點的發射功率是固定的，但是在實際應用中，可通過合理設置不同的發射功率，監測不同大小的魚塘，達到降低功耗的目的。圖3是無線射頻芯片在發送狀態下的不同發射功率能耗情況。

圖3 SX1278發射功率與發射模式關系

3.2 網關程序流程

目前，LoRa網關[12]是基于LoRaWAN協議設計的，針對終端集中的星型組網設計的，采用SX1301射頻芯片和樹莓派組成，該芯片擁有7個LoRa信道和一個FSK通信信道，可以在同一時間接收多個終端節點數據，可以優先選擇信道，設備連接數量可以達到幾千到幾萬個，但成本較高，對于連接節點數量較少的小型組網項目并不適用，故采用SX1278設計網關，為單信道，多個節點共用同一信道。網關主要功能是采集各節點傳輸的數據，并將數據通過串口傳輸至上位機，具體流程如圖4(a)所示。

3.3 傳感器節點程序流程

傳感器節點使用電池供電初始能量有限，在設計時既要完成水質參數數據采集，也要考慮無線射頻模塊在各個狀態下能量消耗的問題，所以使傳感器節點盡可能保持在休眠模式。傳感器節點主要的功能是采集傳感器的數據，并通過LoRa網絡將采集的數據傳輸至網關。傳感器節點上電對SPI、傳感器和SX1278射頻芯片等進行初始化操作，由于節點不知與網關的相對位置，節點發射功率初始狀態設置為最大值，掃描信道，尋找網關建立LoRa網絡，網關得到節點唯一的ID信息，與魚塘一一匹配。節點加入網絡中，采集傳感器數據，定時通過無線模塊發送給網關，隨后進入休眠模式，降低功耗。具體流程如圖4(b)所示。

圖4 網關、傳感器節點程序流程

3.4 系統通信協議

在無線傳感器網絡中，媒體訪問控制(MAC)的性能直接關系到整個網絡的性能，不少研究人員對于不同的設計目標和應用場景，設計MAC協議的側重點也不盡相同，設計MAC協議主要考慮的是低功耗，避免沖突、公平性和信道的利用率等[13]。結合SX1278射頻芯片和MCU，采用MAC協議中的一類時分多址(TDMA)協議，丟棄簡單但是耗能的競爭型CSMA協議，完成節點對信道的訪問。TDMA協議[14]是將時間分割成周期性的時元，把時元再分為互不重疊的幀，每一幀根據具體應用劃分一定數量的時隙，節點按照分割的時隙訪問信道，避免沖突，不存在碰撞的問題，在非傳輸時隙節點可以進入睡眠模式，從而降低系統的功耗。使用無競爭的TDMA協議組網最重要的要求為時隙同步，網關定時發送時間基準，每一個時元周期發送一個同步幀，系統重新進行時隙同步，減少網絡對時鐘穩定性的嚴格要求。網關開始發送同步幀直至結束，記為ΔT，節點在t1時刻接收到網關發送的同步幀，節點在未接收完整同步幀時，并不知道自己在t1時刻接收的是同步幀，直到t2同步幀接收完成。接收和發送同步幀的時間是相同的，可以推算出節點接收同步幀的時刻t1=t2-ΔT，作為時隙的起始時間。

網關與節點通過TDMA協議進行通信，再結合通信距離對發射功率進行設置，同步幀每隔2 min發送一次進行時隙同步，根據系統節點的個數和傳輸數據的大小劃分幀，節點在自身時隙中與網關的通信協議如表2所示。通信協議由前導碼、節點地址、數據長度、數據和CRC16位校驗組成，總共16個字節，結合SX1278的傳輸速率將時隙設置為200 ms，節點定為4個，節點在自身時隙中，并不是一直在傳輸數據，包含一部分的保護時間，因為劃分時隙有一定的誤差，節點時間基準校準之后，與網關不可能完全一致，各節點之間可能會存在部分重疊，保護時間可以避免對傳輸數據產生影響。

表2 通信協議數據格式

4 系統實現與性能測試

4.1 系統通信距離測試

測試地點選擇在相對空曠地帶，建筑物較少，通信距離參數設置為節點的中心頻率設置為433 MHz，發射功率為+17 dBm，帶寬(BW)為125 kHz，擴頻因子(SF)為10，糾錯編碼率為4/5，數據傳輸速率約976 bps，節點通信數據與系統實際工作大小相同設置為16字節，網關通過串口與PC機相連，用串口調試助手記錄數據，通過統計數據，計算通信丟包率和距離，測試結果如表3所示，在2 km范圍內，通信質量良好。傳輸距離為4.7 km左右的情況下，網關徹底接收不到節點傳輸的數據。

表3 通信距離測試

4.2 系統功耗性能測試

無線傳感器節點采用2節5號AA電池供電，容量為2 800 mAh，數據包長度為16個字節。低功耗休眠狀態指STM8L和SX1278處于休眠模式，節點的電流為Csleep=0.005 5 mA，休眠時間t1=599.6 s，節點中SX1278的發射功率設為最大值，節點處于發送模式下的電流為Ctr=120.21 mA，t2=0.2 s，節點周期性進行時隙同步，接收同步幀，接收模式下的電流為Cre=12.12 mA，t3=0.2 s。節點工作周期設置為10 min工作一次，絕大部分的時間是處于休眠狀態，數據采集發送的時間很短，結合通信協議可以計算節點一個周期的能耗為

Ct=(Csleept1+Ctrt2+Cret3)/600?0.049 6 mA

(4)

計算節點1 h的能耗為

C=3 600Ct/600?0.297 6 mA

(5)

電池容量為2 800 mAh，可知節點的壽命為

L=2 800/C?9 409h

(6)

通過計算可知節點工作周期為10 min，可工作9 409 h，節點具有良好的低功耗特性，可通過適當的增加節點工作周期，延長節點的使用壽命。

5 結束語

本文將低功耗廣域網技術應用在水產養殖水質參數監測系統中，結合LoRa傳輸技術、傳感器技術等，實現對溫度，pH值的連續監測，完成對數據的自動采集和傳輸。設計了一種改進的通信協議和組網方式，降低節點能量的消耗，并保持系統遠距離傳輸的特性。該系統較好地解決了水質監測覆蓋范圍小，功耗高的問題，系統組網方式簡單，靈活性好，適用于大型水產養殖場，近海或海洋牧場的水質監測。