基于LoRa物聯網技術的城市環境中水質監測系統的設計與實現

李欣敏

（利誠檢測認證集團股份有限公司，廣東 中山 528400）

0 引言

快速的城市化和人口增長對清潔水有很高的需求。然而，河流污染對經濟發展和人類健康造成了嚴重影響[1]。將水質監測項目納入綜合水資源管理實現可持續發展目標的目的是監測水質狀況，保證水資源管理不受污染和氣候變化等外部因素的影響。水質指數標準和國家水質標準提供了水特性的物理、化學和生物定性分析數據[2]。在實際監測中，水質的一些數據會隨時間而變化，手動測量會影響數據精度。因此，該文設計了一種支持人工水質監測的自動水質監測系統，該系統能夠及時傳輸數據，在降低成本的同時，提高數據的準確性[3]。

工業革命4.0時代物聯網的發展通過無線網絡的輔助連接物理和數字領域。在水質監測系統中嵌入物聯網特性可以提高數據的準確性，減少人為干預，系統的尋址功能對確定適合的網絡類型至關重要[4]。LoRa源自啁啾擴頻（CSS）技術，使用空氣接口，以低功率和低成本提供廣泛的無線電覆蓋。它適合于低數據傳輸速率的環境監測項目。該文旨在測試LoRa在基于物聯網架構的水質連續監測系統中的適用性[5]，該系統采用LoRa節點作為無線傳感器網絡（WSN），將采集的水質數據傳輸到單個LoRa網關，對采集的數據進行分析，并通過開發的儀表板快速決策系統將結果傳輸給水環境學家。該文為LoRa網絡的評價提供了依據。

1 概述

1.1 水質監測系統

水資源綜合管理項目在操作層面上強調水質監測，以保障水資源的安全性。它可以驗證水質現狀，并將其結果與環境對水資源的影響聯系起來。人工方法和連續方法都是通過提供基于水質指數標準和國家水質標準的水質特性來完成工作的。基于聯合國水環境規劃的水質參數的潛在核心組包括氧、鹽度、酸化、氮和磷。這2種方法都需要將對水質的深刻認識作為參考。采用現場采樣或無線傳感器網絡進行人工連續采樣，并對樣本進行分析，提取用于水系統決策的信息。但是，當選擇系統中隱含的無線網絡時，自動方法需要表明監控目標。

1.2 無線網絡作為水質連續監測的技術因素

無線網絡是工業4.0革命時代的機制關鍵之一。它是設備之間相互連接的通信接口，可以進行信息交換。將物聯網系統應用于水質連續監測可以提高應用效率。每種類型的無線網絡都有自己的可信度，這與它對應用系統的職責對應。

1.3 LoRa技術

LoRa技術是2個不同層的編譯：1） 物理層（PHY）采用CSS調制技術，可以增強對噪聲的LoRa強度以及在信號傳輸過程中受益于分配帶寬的任何頻率退化機制。該調制技術實現了正交擴散因子（SF），能夠優化每個節點的功率水平和數據速率。這樣，即使在信噪比較低的情況下也能降低能量消耗，提高接收機的解碼效率。2） 應用層利用LoRa PHY調制方式生成節點與運行在星型拓撲中的網關之間的通信，并與主機層進行數據交換，控制傳輸線內的射頻信號，從擴頻因數、帶寬和編碼率3個方面配置LoRa調制，以適應工作環境。

1.4 LoRa相關工作績效評估

LoRa調制利用SF與帶寬和編碼率集成，以確保傳輸服務對最終數據速率的影響。頻率越高，傳輸距離越遠，處理增益越大，接收靈敏度越高，但是傳輸速率越低。編碼率是控制有效載荷數據中正向糾錯（FEC）量的可靠單位，在物理層實現，對傳輸線內的射頻信號進行管理。考慮非視距（NLOS）條件和城市環境中的多徑傳播信號，需要驗證無線介質對路徑損耗、陰影和多徑衰落的表征。因此，物聯網平臺上獲取的信號值必須與收發器的靈敏度水平協調。前人研究了不同網絡性質下LoRa網絡的性能。瑞士的研究人員將LoRa網絡用于洪水早期探測。他們表示，在距離為500 m的范圍內，接收節點和水位傳感器節點之間不存在丟包。對LoRa網絡來說，雖然監測移動的生物有點困難，但是在監測5.5 km距離的野生動物時的幀損耗高達2%，功率為20 dBm。不同的應用和情況有不同的LoRa性能。在以往研究的基礎上，可以根據不同的應用目標使用不同的網絡參數來分析其性能。

2 方法

該系統過程涉及水質傳感器的確定、供水站點的設計、LoRa節點的WSN屬性設置以及水質參數和LoRa性能的數據分析。

2.1 水質參數及站位設計

水質監測裝置原型包括2個位于魚塘不同位置的LoRa節點。2個節點與單一LoRa 網關的高度和距離都不同。2個駐地都配備了5 V太陽能電池板。水浸傳感器是在檢查了規范、其在室外環境下運行的耐久性和DF機器人分發器分銷商提供的數據表后選擇的，所選傳感器內置于以ESP32作為微控制器的工作站中。由于增益為1 dB的接收天線不適合戶外環境，因此將其設置在小區的屋頂陽臺內。該接收機工作頻段為920 MHz～ 923 MHz，適用于亞洲地區。P1位于網關Rx的視線范圍內，P2位于障礙物之間，如圖1所示。

圖1 水質監測裝置原型位置示意圖

2.2 LoRa終端的設計與實現

LoRa終端采集水樣pH、濁度、總溶解固體（TDS）、溶解氧（DO）和溫度等水質情況，將它們加入LoRa網絡并定期將數據發送到監控App。該文根據終端需求，設計并實現了LoRa終端的硬件和軟件。同時，為了實現低功耗性能，在電源管理模塊硬件設計和終端嵌入式軟件設計中，不僅實現了電源分類控制方法，而且還實現了定時休眠和監控機制。通過上述方法和機制，可以實現終端電源的長期、穩定運行。

2.3 發射機系統實施測量

發射節點采用ESP32-LoRa32，工作頻率868 MHz/ 915 MHz，傳輸功率高達20 dBm。該設備操作頻移鍵控（FSK）調制模式，數據速率為1.2 kbit/s～300 kbit/s。終端設備通過LoRaWAN網絡服務器將獲取的數據發送到網關。數據傳輸也每30 s調整1次，以減少能源消耗。2種不同發射功率發射機的LoRa特性配置見表1。考慮終端節點數量和網關單，LoRa技術優先采用星型拓撲，以保證設備的生命周期。

表1 Lora參數設置

2.4 水環保儀表板設計

儀表板通過物品堆棧v3.14.2的LoRaWAN版本MAC V1.0.2和LoRa Cloud與LoRaWAN服務器集成，開發的應用程序儀表盤可以可視化水質數據。

2.5 數據分析

利用部署的WSN采集水質數據，以理想的水質值評價水質的性質。在已開發的儀表板中顯示數據的平均值，以確定水的狀態并對水的類別進行分類。LoRa在RSSI和SNR上的性能顯示在物品堆棧服務器上，服務器中顯示的數據作為驗證丟包數據的參考。

3 結果與分析

3.1 水質性質分析

由于缺少WQI測定所必需的化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）和氨態氮，因此無法對水質進行分類。這些性能只能通過人工實驗室測試和校準才能獲得更高的精度。盡管如此，該文使用的水參數能夠確定水是否可以飲用。通過移動應用的儀表板可以實時觀察2個（P1和P2）站點的水質數據，使水環境保護者能夠對水的狀態進行監測。

從云中提取水站采集的存儲數據進行分析，2個水站的水質比較結果見表2。當溫度保持在25 ℃時，水體中的微觀物質會影響一些水態參數。pH值易受自然因素的影響，如果pH值超出其通常范圍，就可能是受外界因素的影響。此外，pH值會隨時間而變化，因此實時獲取pH值是很重要的，2個站點的pH值分別為6.965和7.000，表明水體未受外來元素的污染。獲得的pH值可分別歸類為I類和II類。濁度特性檢查可干擾水生態系統生產力的過量懸浮物質。濁度的期望范圍在0 NTU～5 NTU，2個水站得到的濁度值分別為219.55 NTU和56.27 NTU。因此，這2個地點的水狀況下降到III級濁度特征。總溶解固體（TDS）是水中的有機和無機物，TDS值越高，鹽度越高。此外，它還可作為超標化學污染物存在的指示物。同時，可參考TDS值來確定是否可作為飲用水的來源，根據世界衛生組織的標準，TDS的飲用水標準值范圍為50 mg/L～300 mg/L。由表2可知，P1點水體的TDS值超過500 mg/L，不推薦飲用。溶解氧（DO）是指示水生生物賴以生存的氧氣量的重要指標。2個水站的DO平均值均為8 mg/L，屬于II類水體。

表2 獲得的各水站水質參數平均值

綜上所述，與P2的水體相比，P1的水體受到了輕微的污染。TDS和濁度平均值差異較大。雖然這2個水體都沒有受到危險因素的影響，但是仍需要采取預防措施，以防止任何污染爆發。因此，以所提供的結果作為支持決策系統，可以使水環境學家及時檢查水的狀況。

3.2 LoRa效果評估

在雙環境下進行靜態試驗。天線增益為1 dBi的接收器位于室內，兩端節點置于室外魚塘。該試驗是評價LoRa在自主水質監測中的性能的重要依據。2個發射節點Tx位于距離地面0.62 m的高度，但與接收機高度Rx不同，Rx的高度為4.13 m。節點P1和P2與接收器的距離分別為4.30 m和10.95 m。每個末端節點向接收器發送10個總有效載荷。記錄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總結了P1和P2點網絡設置一和網絡設置二的RSSI、SNR、丟包和接收功率的網絡特性結果。P1放置在網關的視線范圍內，因此傳輸信號能夠以其最佳能力運行。它可以通過傳輸過程中獲得的RSSI值來驗證。P1的RSSI范圍均在可用RSSI范圍內，SF均為7和9。當傳輸功率為14 dBm時，其中一個RSSI值在-44處獲得了理想的RSSI值。信噪比值在+10 dB以上時也表現出良好的性能。如圖2所示，P1也沒有丟失包記錄，其路徑損耗隨傳輸功率和SF的變大而變小。

P2的網絡性能結果見表3。P2位于NLOS，與接收器距離較遠，且遠于P1位置。根據表3可知，雖然RSSI值不理想，但是仍在可接受的RSSI范圍內。RSSI值隨著SF的減小和傳輸功率的增大而增大。在P2處的信噪比值顯示LoRa網絡在終端節點與網關之間存在障礙物的情況下仍有較好的性能。當分布系數SF為7、傳輸功率為5 dBm （5，SF7）時，有明顯的丟包現象，但仍在1%以下。因此，它并沒有極大地影響數據包的數據傳輸。P2的路徑損耗如圖2所示。對比圖2中P1和P2點可以看到，路徑損耗值隨著節點到網關距離的增加和NLOS效應的增加而增大。降低傳輸功率可以降低LoRa的性能，但是功耗低。此外，它仍然適用于低速率數據類型，例如水質數據（網絡屬性的范圍仍然在可接受的范圍內）。

圖2 P1和P2點的路徑損耗

表3 P1和P2點的網絡設置一和二的網絡特性結果

LoRa終端的功耗是決定系統工作壽命的關鍵因素，也是基于LoRa設計的水質環境監測系統的優勢所在，對該系統的推廣應用具有重要意義。高精度電阻串聯在LoRa端子與電源之間。通過1個示波器測量電阻在3個工作階段的電壓差。根據歐姆定律可以計算LoRa端子的工作電流。測試電阻阻值為10 Ω。在55 min的第一階段，示波器測量到的電壓差為23 mV，LED兩端的電壓差為15 mV，因此所需電路兩端的電壓差為8 mV。也就是說，系統電流消耗為0.8 mA。而在5 min的預熱階段，示波器測得的電壓差約為400 mV。也就是說，系統電流消耗為40 mA。在讀取和傳輸階段，示波器測得的電壓差約為1.2 V。也就是說，系統電流消耗為120 mA。因此，一個周期的平均電流消耗如公式（1）所示。

式中：Ti為工作階段i的持續時間；Th為一個周期的持續時間，Th=60 min。

將表4數據代入公式（1），計算得到Ih為5.06 mA。2節AA電池的容量約為3000 mA，這意味LoRa終端電源由2節AA電池在該系統中可以運行長達592 h。

表4 LoRa終端功耗

4 結語

該文達到了將LoRa網絡應用于自主水質監測系統的目的：1） 該智能系統可實時訪問即時決策系統，降低污染爆發的可能性。2） LoRa是智能地球發展中物聯網應用的理想無線網絡，具有能耗低和可以遠程使用的優點。增加SF值可以增加網絡覆蓋率，但會導致RSSI值降低。它還增加了能源消耗，從而影響了設備的壽命。3） 基于信噪比、RSSI、報文數據丟失、接收功率和路徑丟失等指標對LoRa的性能進行評價。通過增加終端節點之間的距離，可以提高LoRa的性能，減少丟包數據的冗余。4） 系統的效率可以通過LoRa網絡的幾個網絡參數來調整。該文所展示的從無線傳感器網絡采集的水質屬性值儀表盤證明了LoRa擁有低成本、低功耗運行且不丟失數據包的優勢，可以作為智能系統的無線網絡。