基于 LoRa 通信的城市河道污水排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

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

近幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用信息化智能管理成為各鄰域的發(fā)展趨勢(shì) [5-6]。其中具有低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)的 LoRa 通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用 [7]。本文采用 LoRa 技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了城市河道污水排放監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)分為感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。LoRa 終端節(jié)點(diǎn)安裝在河道排污口監(jiān)管區(qū)域，作為感知層，實(shí)時(shí)采集排污口的信息。LoRa 終端節(jié)點(diǎn)通過(guò) LoRa 協(xié)議將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器。在應(yīng)用層，監(jiān)測(cè)中心 Web 客戶端通過(guò)云端服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，在網(wǎng)頁(yè)上以圖表等直觀形式呈現(xiàn)給管理人員。管理人員通過(guò)觀察報(bào)警提醒或 Web 客戶端上記錄的數(shù)據(jù)變化，能及時(shí)掌握排污口情況，節(jié)約了管理人員的巡查時(shí)間，提高了監(jiān)管效率。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

1.2 LoRa終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是組成感知層 LoRa 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)關(guān)通信。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 LoRa 終端節(jié)點(diǎn)由STM32 低功耗微處理器、LoRa 通信模塊 SX1278、各類(lèi)傳感器、電池構(gòu)成。LoRa 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

1.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

由于 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)是連接終端節(jié)點(diǎn)與云端服務(wù)器的重要設(shè)備，需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力支撐網(wǎng)關(guān)。本文選用具有1 GHz 主頻和 512 MB 運(yùn)行內(nèi)存的樹(shù)莓派處理器 [9]，保證了網(wǎng)關(guān)并行處理數(shù)據(jù)的運(yùn)算能力。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用的 SX1301 芯片具有高達(dá) -142.5 dBm 的接收靈敏度 [10]，具有 49 個(gè)虛擬通道以及可采用 ADR 技術(shù)等特點(diǎn) [11]。支持多信道多數(shù)據(jù)的并行處理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)天線分集，有效降低同頻干擾，提高抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸 [12]。網(wǎng)關(guān)采用太陽(yáng)能供電以提高網(wǎng)關(guān)部署的環(huán)境適應(yīng)性、移動(dòng)便攜性。

1.4 Web 客戶端

Web 客戶端的服務(wù)器端使用 Node.js 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，前端 UI使用 React 開(kāi)發(fā)，采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)排污數(shù)據(jù)。

對(duì)從云端服務(wù)器接收排污口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)到 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。在基于 Node.js 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的服務(wù)器上，利用 React 開(kāi)發(fā) Web 頁(yè)面。在 Web 界面上，可以實(shí)現(xiàn)以圖表形式實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)框圖如圖 4 所示。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)性能測(cè)試

LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)作為向下連接 LoRa 終端節(jié)點(diǎn)、向上連接云服務(wù)器的中間樞紐，其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的丟包率和傳輸覆蓋范圍是關(guān)注的重點(diǎn)。故本文對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)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(jìn)行了測(cè)試。

2.1.1 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)丟包率測(cè)試

采用節(jié)點(diǎn)發(fā)送模擬數(shù)據(jù)的方法精確分析網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的丟包率。在持續(xù)工作的 30 天內(nèi)，以不同的發(fā)送間隔進(jìn)行每天 1 000 條數(shù)據(jù)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1 所列。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍測(cè)試

LoRa 通信模塊在戶外的覆蓋范圍對(duì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)具有重要意義，分別在開(kāi)闊地區(qū)和密集建筑區(qū)進(jìn)行了測(cè)試。如圖 5（a）所示，在校區(qū)附近開(kāi)闊地區(qū)進(jìn)行了通信距離測(cè)試，網(wǎng)關(guān)天線位于 A 處，在 B，C，D 三個(gè)地點(diǎn)分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 2 所列。

如圖 5（b）所示，在高層樓宇覆蓋區(qū)進(jìn)行了穿透能力測(cè)試，網(wǎng)關(guān)天線位于 A 處頂層，在 E，F(xiàn)，G 三個(gè)地點(diǎn)分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 3 所列。

測(cè)試結(jié)果表明，在有著復(fù)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(jiàn)，LoRa 采用擴(kuò)頻技術(shù)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(diǎn)的功耗測(cè)試

2.2.1 休眠模式功耗測(cè)量

休眠參數(shù)是 LoRa 節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試的關(guān)鍵指標(biāo) [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(shè)置為無(wú)工作時(shí)關(guān)閉。在實(shí)際測(cè)試中，LoRa 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí) LoRa 模塊休眠電流為 1.1 μA。

2.2.2 運(yùn)行模式功耗測(cè)量

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

LoRa 節(jié)點(diǎn)每?jī)煞昼娡瓿梢粋€(gè)采集周期。LoRa 節(jié)點(diǎn)各動(dòng)作工作電流見(jiàn)表 4 所列。

終端節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期（2 min）內(nèi)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(diǎn)工作天數(shù) T（天）：

2.3 Web 客戶端測(cè)試

在 Web 客戶端的界面地圖上可實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)據(jù)情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)高于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警提醒。Web 客戶端地圖顯示如圖 6 所示。Web 客戶端可實(shí)現(xiàn)一天、一周、一個(gè)月等數(shù)據(jù)的曲線分析，可直觀看出近期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的排污情況，數(shù)據(jù)曲線如圖 7 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)為當(dāng)前的城市污水排放監(jiān)測(cè)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(shí)間成本高和對(duì)不良企業(yè)偷排現(xiàn)象監(jiān)管效果差等問(wèn)題。通過(guò)一系列測(cè)試，本文系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)，以及在監(jiān)測(cè)中心 Web 客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警提醒等功能，可有效提高監(jiān)管效率。