基于LoRa的低功耗水產養殖監測系統設計

陳麗 夏興隆 卜樹坡

摘要：水產養殖環境的實時監測，可以提升水產養殖效率、實現科學養殖。考慮到戶外監測節點多、分布距離遠、供電不方便等特點，從低功耗電路設計、低功耗器件選擇、低功耗算法等方面進行優化設計，使整個系統在電池供電條件下，滿足長時間戶外使用需求。同時，對一種低功耗廣域網（LoRa）無線通信距離進行優化設計，滿足大面積養殖場地的應用需求。采用受限應用協議（CoAP）、輕量級的機器到機器（LWM2M）協議將信號上傳至OneNET平臺。經過測試，該系統休眠功耗為3 μA，工作時的平均功耗為22.68 μA，無線傳輸距離半徑不低于364 m。

關鍵詞：LoRa技術;低功耗;遠距離無線通信;水產養殖;云平臺;CoAP

我國水環境污染嚴重，漁業水域環境質量不容樂觀，水產養殖環境直接影響水產養殖成效，實時監測水產養殖生態環境可為科學水產養殖提供依據。與傳統人工采集相比，傳感器網絡的搭建對于推進水產養殖智能化、科學化起到了積極作用。目前，已有不少研究者針對各類水環境參數設計了監測系統。部分采用基于Modbus協議的485通信方式，這種模式采用有線通信的方式，更適合在實驗室環境下對水質進行分析[1]。考慮到水產養殖場地在戶外，存在范圍廣、不易布線、供電困難等特點，這種場景下更合適使用無線監測系統。姚達雯等采用紫蜂（ZigBee）技術與通用分組無線服務技術（GPRS）相結合的方式設計了適用于戶外的水質監測系統，使用ZigBee進行節點信息采集、匯總，在匯聚節點處采用GPRS將數據上傳，實現了多點低功耗實時遠程監控[2]。孫卓在這一方式的基礎上，提出自適應高速數據采樣與傳輸、網絡拓撲優化的具體方法，提高了數據傳輸的速度[3]。這種模式雖然可以滿足一定場景下水質參數的監測，但是GPRS存在模塊啟動電流大的問題，將直接影響整個系統的功耗，而資費問題也將影響這一系統的推廣。隨著通信技術的發展，窄帶物聯網（NB-IoT）技術不斷成熟，資費、功耗等物聯網應用最關注的問題也得到了改進。蔡向科等提出了一種基于 NB-IoT 和ZigBee的低功耗水產養殖水質監測系統，這一系統在功耗、節點生存周期等性能方面得到了顯著的提升[4]。在該系統中，主要通過設計采集周期自適應調節算法和發射功率自適應調節算法來降低節點功耗，但是采用該方法會造成一定的丟包率。另外，ZigBee最常用的頻段是2.4 GHz[5]，傳輸距離短，不帶低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA）的ZigBee模塊在室外開闊場地，傳輸距離小于110 m。增加LNA和PA，可以增加傳輸距離，但是會明顯增加功耗。對于諸如蘇州市陽澄湖這類大面積養殖場地，需要設置很多傳感器節點進行自組網來解決這一問題，大大增加了成本，顯然不能滿足應用需求。因此，探索一種低功耗、遠距離、高可靠的無線通信方式，對于提升水產養殖環境監測水平有著至關重要的作用。

與無線保真技術（WiFi）、ZigBee等基于 2.4 GHz 免執照頻段的通信技術相比，基于頻率較低的Sub-GHz（頻率低于1 GHz）以下的頻段開發組網技術，具有通信距離遠，繞射能力強等特點，更適合大面積場景的信息傳輸。雖然這類技術頻率低，存在傳輸速度慢的問題，但是在養殖環境監測過程中，傳感器信息數據量較小，完全能滿足該場景的應用需求。在眾多基于Sub-GHz頻段開發的通信技術中，長距離（LoRa）技術具有通信距離遠、運行可靠、低功耗、低成本等特點，在郊區最大傳輸距離可達15 km，在小數據量傳輸的應用場景中具有明顯的優勢[6-8]。LoRa技術在LoRa聯盟的大力推廣下，已有通用的通信協議，逐漸成為物聯網應用的重要支撐技術。與LoRa相比，NB-IoT也是最具潛力的無線通信技術，目前運營商們都在大力推廣這一技術，由于NB-IoT技術基站數量多，且能直接將數據通過云平臺中轉，能很方便地實現遠程監控，LoRa不具備這一優勢[8]，但是采用這種技術，需要支付額外的費用，當節點數量較多時，成本較高。

結合LoRa和NB-IoT的優勢，本研究設計出一種適用于大面積水產養殖的環境監測系統，并從低功耗器件選型、能量回收、優化通信方案3個角度對系統進行低功耗設計，滿足戶外場景的應用需求。

1 系統總體設計

本系統主要包括水環境信息監測節點、基站、云平臺，整體架構如圖1所示。其中，信息監測節點包括水環境信息采集、信息傳輸功能。考慮到LoRa技術通信距離及低功耗的需求，本研究主要采用星型網絡架構，這種架構不需要復雜的路由協議，更利于實現低功耗。每個信息監測節點通過溶氧傳感器、pH值傳感器等采集養殖區域的水環境信息，通過LoRa模塊將信息發送至基站。基站通過LoRa模塊接收各節點發來的數據，基站搭載NB（窄帶）模塊，將收集的監測信息上傳至云平臺，使用者可以通過云平臺進行遠程實施監控。

2 低功耗節點硬件設計

信息監測節點可以實現信息采集、無線通信。系統由STM8型單片機、LoRa通信模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成。其中，水質傳感器又包括pH值傳感器、溶氧傳感器。其硬件系統結構如圖2所示。

整個系統的核心器件為單片機，相比無線基站處理的大信息量數據，單個節點任務的處理難度較低、數據量較小，對單片機的要求并不高，因此選擇了性價比高、穩定可靠的STM8系列單片機。單片機通過RS485串行接口與傳感器模塊進行通信，同時增加低功耗供電及數據模塊，當休眠時，用于切斷工作電源以降低功耗。通信模塊與單片機連接，可進行雙向通信。通信模塊選擇支持LoRa的SX1278模塊，該模塊可實現遠距離無線通信，且抗干擾能力強，該模塊通過串行外設接口（SPI）總線與單片機進行通信。整個節點系統中，不同模塊的工作電壓不同，大部分均在3.3 V下工作，各類水質傳感器在12 V下工作，需要進行升壓處理。

與基站相比，本研究的低功耗硬件系統節點的數量多，位置分散，且無法實現外部供電，對低功耗要求更高。本研究中，低功耗節點的硬件設計主要從以下幾方面實現。

2.1 超低功耗電子器件應用

為了滿足超低功耗的節點需求，對于節點中最核心的單片機模塊、電源轉換模塊、無線通信模塊均選取低功耗電子器件。

單片機模塊選取意法半導體（ST）公司的STM8L052型超低功耗單片機，該單片機待機功耗小于0.8 μA，非常適合超低功耗的節點組網控制。

電源轉換芯片采用超低功耗升壓直流轉換芯片SGM66099，該芯片能夠把1.1～3.3 V的輸入電壓轉換為3.3 V的恒定輸出電壓，并且工作功耗僅為0.6 μA，是一種超低功耗的升壓電池管理芯片。

無線通信LoRa通信模塊采用高度集成化封裝芯片S78F，該芯片將Semtech公司的1 278芯片、匹配網絡、LNA低噪放芯片、晶振集成在一塊芯片內，與傳統的無線模塊搭配周邊電路的模式相比，大大降低了LoRa模塊的工作電流，提高了無線性能及無線采集節點的可靠性。

2.2 低功耗電路

低功耗電路包括電源開關電路、電源轉換電路和數據采集電路3個部分。通過電源開關電路的通斷控制后續電路供電，定時打開數據采集電路進行數據采集以實現低功耗。

2.2.1 電源開關電路 電源開關電路由3V電池供電，輸出電壓是由POWER-ON開關信號控制的3 V電壓。通過圖3的電源開關電路實現電池電能的輸出。當開關信號為高電平時，N型金屬氧化物半導體管（N-MOS）Q3打開，控制P型金屬氧化物半導體管（P-MOS）Q2導通，輸出3V電壓;當開關信號為低電平時，2個MOS管均關閉，不消耗電池電量。

2.2.2 電源轉換電路 整個硬件電路中，不同器件需要不同的工作電壓。8路RS485芯片和光耦芯片的工作電壓為5 V、傳感器工作電壓為12 V，其余芯片工作電壓均為3 V。因此，需要設計電源轉換電路，將電源開關電路的3 V輸出分別升壓至5 V和12 V。

圖4給出電源轉換電路，通過DC-DC變壓器，將電源開關電路的輸出電壓升壓至12 V。經過LDO芯片將12 V電壓轉至5 V電壓進行輸出。

2.2.3 數據采集電路 數據采集電路由485芯片、光隔離模塊組成，如圖5所示。J1接傳感器，通過485芯片進行信號轉換，經過光隔離模塊送至單片機。當不需要采集時，單片機通過電源開關電路將電路關斷，而控制信號RXD、TXD、DIR均輸出高電平，使信號線沒有漏電流存在，實現零功耗待機;當需要采集信號的時候，打開電源進行數據采集。

2.3 超低功耗的脈沖式采集方法

通過降低采集、通信時間的占比，實現低功耗工作及組網。

通過本研究策略，LoRa無線組網的電流小于 15 mA，時間小于40 ms，連接頻率為10 min/次，平均電流可以通過公式（1）進行計算。

節點的待機總電流小于3 μA。通過計算，節點的平均電流為22.68 μA。1 μA年耗能為 8.76 mAh，因此理論計算得到該系統年功耗為19868 mAh。按照2 000 mAh的5號電池容量計算，理論上節點可以使用10年。考慮到電池本身的壽命，整個系統采用電池供電方案的使用壽命大于5年。

3 基站硬件設計

一般基站數量少，同時選擇可以方便接入外部電源的位置進行安裝。因此，即使基站工作電流較大，通常也不需要低功耗的特殊設計。如圖所示，整個系統核心器件為單片機，考慮到網關需要處理來自各節點的信息， 處理難度大、 過程復雜、數據量大，因此選擇搭載了ARM內核的STM32L微控制器，該系列產品處理能力較強、穩定可靠，適用于水產養殖環境監測系統。系統搭載與節點相同的LoRa模塊，用于實現與節點間的通信，該模塊與單片機間通過SPI總線進行通信。同時，系統搭載了移遠的BC28 NB-IoT 模塊，通過窄帶蜂窩網絡將采集到的數據上傳至云平臺。

4 系統軟件設計

4.1 信息監測節點

節點負責采集信息并將采集到的信息匯總到網關。節點工作流程如圖7所示。

節點大部分時間處于休眠狀態，節點定時喚醒，單片機進入工作狀態并讀取傳感器信號，判斷是否有無線信號，如果有無線信號則將信息通過通信模塊發送給無線基站。整個流程結束后，系統再次進入休眠狀態。如果沒有無線信號，直接進入休眠狀態。

4.2 基站軟件設計

基站負責收集節點的信息并將信息上傳至云平臺。基站工作流程如圖8所示。

開始工作后，STM32微控制器判斷從第1個節點開始，向節點發送數據采集指令;發送后，等待節點響應，并讀取節點采集的信息，并將信號發送至云平臺。

判斷變量N是否小于節點數，當數量小于節點數則加1，繼續輪詢下一個節點采集到的信息;當N到達節點數后，將N重置1。

所有流程結束后，延時一定時間，重新開始輪詢節點采集到的信息。

5 數據上傳至云平臺

本研究采用NB-IoT硬件模塊，并通過該模塊將信息上傳至OneNET平臺，數據上傳采用CoAP+LWM2M協議。其中， CoAP作為傳輸層協議規定數據上傳的報文格式。

整個報文包括版本號、報文類型、TKL標志符長度、響應碼和報文編號。

CoAP協議定義了4種不同形式的報文：CON報文、NON報文、ACK報文和RST報文，不同形式的報文表示不同的服務質量。考慮到統一由網關進行數據上傳，選擇CON報文，通過重發的方式以降低丟包率。

這種協議可以采用Token動態鑒權信息進行鑒權。Token由version、res、et、method、sign這幾個參數構成，分別表示版本號、訪問資源、過期時間、簽名方法、簽名結果。計算后得到如下Token值：

該值為動態值，根據過期時間設置結果決定有效時長，以提高安全性能。

Option中給出報文選項，通過報文選項可設定CoAP主機、CoAP URI、CoAP請求參數和負載媒體類型。

6 性能測試與分析

本研究旨在設計低功耗的水產養殖監測系統，功耗測試是重要的評估指標之一。同時，考慮到遠程監測的需求，無線通信距離直接影響節點、網關的鋪設數量。因此，系統設計完成后，對以下指標進行測試。

6.1 功耗測試

功耗測試主要集中在2個功耗較大的器件：通信模塊和水質傳感器模塊。

經過測試，給出無線通信時LoRa模塊的工作電流脈沖如圖9所示，將采樣電阻（10 Ω）串聯到LoRa模塊的電源輸入正極，采樣電壓、脈沖分別為40、150 mV，計算得到的電流脈沖分別為4、15 mA，時間分別為3、37 ms，脈沖周期為10 min，由式（3）計算得到平均電流約為0.95 μA，略小于理論計算值。

水質傳感器電流采樣電阻為0.2 Ω，采樣脈沖電壓為56 mV，計算得到的脈沖電流為280 mA。傳感器工作時間小于 40 ms，功耗也略小于理論計算值。

6.2 無線傳輸距離

LoRa技術的開發最初主要定位于低傳輸信息量的應用場景，開發目標為一次發送信息量不超過幾個字節[9]。該技術采用線性調頻擴頻技術[10]，既可保持像頻移鍵控調制相同的低功耗特性，又明顯增加了通信距離，提高了網絡效率并消除了干擾。該技術的主要參數包括帶寬、擴頻因子和碼率。這些指標直接影響通信效率，它們與比特率、信號在空氣中的持續時間的關系可由式（4）、（5）表示[9]。

通常，可以通過設置擴頻因子[11]，調節比特率和信號在空氣中的持續時間。當擴頻因子大于2時，擴頻因子越大，比特率越小，傳輸速度越慢。信號在空氣中持續的時間隨著擴頻因子的增加呈指數上升趨勢。擴頻因子越大，傳輸距離越遠，理論傳輸距離可達到幾十公里;在距離要求相對較低的情況下，也可以通過減小擴頻因子，來提高信息傳輸速度。當BW=250 kHz、CR=4/5時，信號持續時間、波特率與擴頻因子的關系如圖11所示。

無線接收信號強度（RSSI）值、丟包率是通信性能的主要評價指標。本研究對這2項指標進行測試，同時考慮環境對測試結果的影響。根據上述分析，將LoRa的擴頻因子定為8，信號發射功率設為LoRa SX1278芯片的最大發射功率20 dBm。在測試過程中，依次穿過樓宇、灌木叢等障礙物。

不同測試距離下的測試結果如圖12所示，RSSI值與信號傳輸距離（d）的關系呈對數關系下降。具體關系如公式（6）所示，其中r2為0.969 2，擬合效果較好。

當距離小于等于364 m時，丟包率均為0。當距離超過382 m時，丟包率隨著距離增加而增加，也就意味著距離對丟包率的影響明顯增加。

7 結論

本研究基于LoRa通信技術，設計了應用于養殖環境場景的信息采集系統。在綜合考慮功耗、通信距離等因素的情況下，對系統進行了低功耗優化設計。通過選擇一系列低功耗器件、設計低功耗電路、優化通信過程等方式，實現低功耗及遠距離信息采集。該系統休眠功耗為3 μA，工作時的平均功耗為22.68 μA，采用電池供電，可實現5年以上的續航工作。在擴頻因子為8，信號發射功率為 20 dBm 的情況下，RSSI值隨著通信距離增加，呈對數下降。通信距離不超過364 m時，通信效果較好，可推測對于通信范圍可以覆蓋半徑364 m，占地面積為41.6萬m2的養殖區，安裝一個基站，就能滿足大部分養殖場地的需求。

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