基于 LoRa 通信的城市河道污水排放監(jiān)測系統(tǒng)設計

0 引 言

環(huán)境保護是社會的熱點話題，如何進行高效的環(huán)境監(jiān)管是目前監(jiān)管部門致力解決的難點 [1]。一直以來排污口的巡查管理主要依賴于人工巡查，而這種傳統(tǒng)巡查方式人員成本、時間成本高 [2-3]。同時違法企業(yè)在掌握了人工巡查的時間規(guī)律后，往往選擇避開巡視人員的巡查偷偷排放，使污水排放無法實現(xiàn)有效監(jiān)控 [4]。

近幾年來，物聯(lián)網技術飛速發(fā)展，應用信息化智能管理成為各鄰域的發(fā)展趨勢 [5-6]。其中具有低功耗、遠距離傳輸特點的 LoRa 通信技術得到了廣泛應用 [7]。本文采用 LoRa 技術設計開發(fā)了城市河道污水排放監(jiān)測系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)人工巡查方式存在的弊端 [8]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

本文系統(tǒng)分為感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、網絡層和應用層。LoRa 終端節(jié)點安裝在河道排污口監(jiān)管區(qū)域，作為感知層，實時采集排污口的信息。LoRa 終端節(jié)點通過 LoRa 協(xié)議將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到 LoRaWAN 網關，網關將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務器。在應用層，監(jiān)測中心 Web 客戶端通過云端服務器獲取實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)信息進行分析處理，在網頁上以圖表等直觀形式呈現(xiàn)給管理人員。管理人員通過觀察報警提醒或 Web 客戶端上記錄的數(shù)據(jù)變化，能及時掌握排污口情況，節(jié)約了管理人員的巡查時間，提高了監(jiān)管效率。系統(tǒng)總體設計如圖 1 所示。

1.2 LoRa終端節(jié)點設計

終端節(jié)點是組成感知層 LoRa 節(jié)點網絡的基本單元，負責數(shù)據(jù)采集和網關通信。本文系統(tǒng)設計的 LoRa 終端節(jié)點由STM32 低功耗微處理器、LoRa 通信模塊 SX1278、各類傳感器、電池構成。LoRa 終端節(jié)點結構如圖 2 所示。

1.3 網關設計

由于 LoRaWAN 網關是連接終端節(jié)點與云端服務器的重要設備，需要強大的運算能力支撐網關。本文選用具有1 GHz 主頻和 512 MB 運行內存的樹莓派處理器 [9]，保證了網關并行處理數(shù)據(jù)的運算能力。網關系統(tǒng)采用的 SX1301 芯片具有高達 -142.5 dBm 的接收靈敏度 [10]，具有 49 個虛擬通道以及可采用 ADR 技術等特點 [11]。支持多信道多數(shù)據(jù)的并行處理，同時可以實現(xiàn)天線分集，有效降低同頻干擾，提高抗干擾能力，實現(xiàn)更遠距離的傳輸 [12]。網關采用太陽能供電以提高網關部署的環(huán)境適應性、移動便攜性。

1.4 Web 客戶端

Web 客戶端的服務器端使用 Node.js 語言開發(fā)，前端 UI使用 React 開發(fā)，采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲排污數(shù)據(jù)。

對從云端服務器接收排污口發(fā)來的數(shù)據(jù)進行處理，并存儲到 MySQL 數(shù)據(jù)庫。在基于 Node.js 語言開發(fā)的服務器上，利用 React 開發(fā) Web 頁面。在 Web 界面上，可以實現(xiàn)以圖表形式實時顯示數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)等功能。Web 客戶端界面如圖 3 所示，Web 客戶端程序設計框圖如圖 4 所示。

2 測試結果

2.1 LoRaWAN 網關性能測試

LoRaWAN 網關作為向下連接 LoRa 終端節(jié)點、向上連接云服務器的中間樞紐，其數(shù)據(jù)傳輸時的丟包率和傳輸覆蓋范圍是關注的重點。故本文對這兩項指標進行了測試，持續(xù)工作周期為30天，分別在空曠地區(qū)與密集建筑區(qū)進行了測試。

2.1.1 網關系統(tǒng)丟包率測試

采用節(jié)點發(fā)送模擬數(shù)據(jù)的方法精確分析網關接收節(jié)點數(shù)據(jù)的丟包率。在持續(xù)工作的 30 天內，以不同的發(fā)送間隔進行每天 1 000 條數(shù)據(jù)的測試。測試結果見表 1 所列。

2.1.2 網關的覆蓋范圍測試

LoRa 通信模塊在戶外的覆蓋范圍對網關系統(tǒng)具有重要意義，分別在開闊地區(qū)和密集建筑區(qū)進行了測試。如圖 5（a）所示，在校區(qū)附近開闊地區(qū)進行了通信距離測試，網關天線位于 A 處，在 B，C，D 三個地點分別進行測試，測試結果見表 2 所列。

如圖 5（b）所示，在高層樓宇覆蓋區(qū)進行了穿透能力測試，網關天線位于 A 處頂層，在 E，F(xiàn)，G 三個地點分別進行測試，測試結果見表 3 所列。

測試結果表明，在有著復雜環(huán)境干擾的校區(qū)附近，雖然RSSI 值較低，但是 SNR 值較好，依然具有良好的通信成功率。由此可見，LoRa 采用擴頻技術后，在穩(wěn)定性、抗干擾能力以及接收靈敏度方面表現(xiàn)良好。

2.2 LoRa 終端節(jié)點的功耗測試

2.2.1 休眠模式功耗測量

休眠參數(shù)是 LoRa 節(jié)點功耗測試的關鍵指標 [13]，理論上SX1278 的休眠電流為 1 μA，STM32L 休眠電流為 560 nA，其他傳感器設置為無工作時關閉。在實際測試中，LoRa 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)結束后進入休眠狀態(tài)，此時 LoRa 模塊休眠電流為 1.1 μA。

2.2.2 運行模式功耗測量

（1）酸堿度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時間為 10 ms，工作電流為 34.4 mA ；

（2）濁度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時間為 10 ms，工作電流為 7.76 mA ；

（3）溫度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時間為 10 ms，工作電流為 10 mA。

LoRa 節(jié)點每兩分鐘完成一個采集周期。LoRa 節(jié)點各動作工作電流見表 4 所列。

終端節(jié)點一個周期（2 min）內消耗的平均功率為 ：

所以使用容量為 3 800 mAh 的電池供電，理論上可支持節(jié)點工作天數(shù) T（天）：

2.3 Web 客戶端測試

在 Web 客戶端的界面地圖上可實時顯示各監(jiān)測點位置及數(shù)據(jù)情況，當監(jiān)測的數(shù)據(jù)高于預先設定的閾值時，發(fā)出報警提醒。Web 客戶端地圖顯示如圖 6 所示。Web 客戶端可實現(xiàn)一天、一周、一個月等數(shù)據(jù)的曲線分析，可直觀看出近期監(jiān)測點的排污情況，數(shù)據(jù)曲線如圖 7 所示。

3 結 語

本文系統(tǒng)為當前的城市污水排放監(jiān)測提供了一種新型方法，解決了傳統(tǒng)人工巡查方式人員成本、時間成本高和對不良企業(yè)偷排現(xiàn)象監(jiān)管效果差等問題。通過一系列測試，本文系統(tǒng)基本實現(xiàn)了低功耗、遠距離傳輸?shù)脑O計目標，以及在監(jiān)測中心 Web 客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示和報警提醒等功能，可有效提高監(jiān)管效率。