基于 LoRa 通信的城市河道污水排放监测系统设计

0 引 言

环境保护是社会的热点话题，如何进行高效的环境监管是目前监管部门致力解决的难点 [1]。一直以来排污口的巡查管理主要依赖于人工巡查，而这种传统巡查方式人员成本、时间成本高 [2-3]。同时违法企业在掌握了人工巡查的时间规律后，往往选择避开巡视人员的巡查偷偷排放，使污水排放无法实现有效监控 [4]。

近几年来，物联网技术飞速发展，应用信息化智能管理成为各邻域的发展趋势 [5-6]。其中具有低功耗、远距离传输特点的 LoRa 通信技术得到了广泛应用 [7]。本文采用 LoRa 技术设计开发了城市河道污水排放监测系统，以解决传统人工巡查方式存在的弊端 [8]。

1 监测系统设计

1.1 系统总体设计

本文系统分为感知层、数据传输层、网络层和应用层。LoRa 终端节点安装在河道排污口监管区域，作为感知层，实时采集排污口的信息。LoRa 终端节点通过 LoRa 协议将传感数据发送到 LoRaWAN 网关，网关将数据发送到云端服务器。在应用层，监测中心 Web 客户端通过云端服务器获取实时数据，并对数据信息进行分析处理，在网页上以图表等直观形式呈现给管理人员。管理人员通过观察报警提醒或 Web 客户端上记录的数据变化，能及时掌握排污口情况，节约了管理人员的巡查时间，提高了监管效率。系统总体设计如图 1 所示。

1.2 LoRa终端节点设计

终端节点是组成感知层 LoRa 节点网络的基本单元，负责数据采集和网关通信。本文系统设计的 LoRa 终端节点由STM32 低功耗微处理器、LoRa 通信模块 SX1278、各类传感器、电池构成。LoRa 终端节点结构如图 2 所示。

1.3 网关设计

由于 LoRaWAN 网关是连接终端节点与云端服务器的重要设备，需要强大的运算能力支撑网关。本文选用具有1 GHz 主频和 512 MB 运行内存的树莓派处理器 [9]，保证了网关并行处理数据的运算能力。网关系统采用的 SX1301 芯片具有高达 -142.5 dBm 的接收灵敏度 [10]，具有 49 个虚拟通道以及可采用 ADR 技术等特点 [11]。支持多信道多数据的并行处理，同时可以实现天线分集，有效降低同频干扰，提高抗干扰能力，实现更远距离的传输 [12]。网关采用太阳能供电以提高网关部署的环境适应性、移动便携性。

1.4 Web 客户端

Web 客户端的服务器端使用 Node.js 语言开发，前端 UI使用 React 开发，采用 MySQL 数据库存储排污数据。

对从云端服务器接收排污口发来的数据进行处理，并存储到 MySQL 数据库。在基于 Node.js 语言开发的服务器上，利用 React 开发 Web 页面。在 Web 界面上，可以实现以图表形式实时显示数据及历史数据等功能。Web 客户端界面如图 3 所示，Web 客户端程序设计框图如图 4 所示。

2 测试结果

2.1 LoRaWAN 网关性能测试

LoRaWAN 网关作为向下连接 LoRa 终端节点、向上连接云服务器的中间枢纽，其数据传输时的丢包率和传输覆盖范围是关注的重点。故本文对这两项指标进行了测试，持续工作周期为30天，分别在空旷地区与密集建筑区进行了测试。

2.1.1 网关系统丢包率测试

采用节点发送模拟数据的方法精确分析网关接收节点数据的丢包率。在持续工作的 30 天内，以不同的发送间隔进行每天 1 000 条数据的测试。测试结果见表 1 所列。

2.1.2 网关的覆盖范围测试

LoRa 通信模块在户外的覆盖范围对网关系统具有重要意义，分别在开阔地区和密集建筑区进行了测试。如图 5（a）所示，在校区附近开阔地区进行了通信距离测试，网关天线位于 A 处，在 B，C，D 三个地点分别进行测试，测试结果见表 2 所列。

如图 5（b）所示，在高层楼宇覆盖区进行了穿透能力测试，网关天线位于 A 处顶层，在 E，F，G 三个地点分别进行测试，测试结果见表 3 所列。

测试结果表明，在有着复杂环境干扰的校区附近，虽然RSSI 值较低，但是 SNR 值较好，依然具有良好的通信成功率。由此可见，LoRa 采用扩频技术后，在稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度方面表现良好。

2.2 LoRa 终端节点的功耗测试

2.2.1 休眠模式功耗测量

休眠参数是 LoRa 节点功耗测试的关键指标 [13]，理论上SX1278 的休眠电流为 1 μA，STM32L 休眠电流为 560 nA，其他传感器设置为无工作时关闭。在实际测试中，LoRa 模块发送数据结束后进入休眠状态，此时 LoRa 模块休眠电流为 1.1 μA。

2.2.2 运行模式功耗测量

（1）酸碱度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为 10 ms，工作电流为 34.4 mA ；

（2）浊度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为 10 ms，工作电流为 7.76 mA ；

（3）温度传感器每分钟唤醒一次，工作时间为 10 ms，工作电流为 10 mA。

LoRa 节点每两分钟完成一个采集周期。LoRa 节点各动作工作电流见表 4 所列。

终端节点一个周期（2 min）内消耗的平均功率为 ：

所以使用容量为 3 800 mAh 的电池供电，理论上可支持节点工作天数 T（天）：

2.3 Web 客户端测试

在 Web 客户端的界面地图上可实时显示各监测点位置及数据情况，当监测的数据高于预先设定的阈值时，发出报警提醒。Web 客户端地图显示如图 6 所示。Web 客户端可实现一天、一周、一个月等数据的曲线分析，可直观看出近期监测点的排污情况，数据曲线如图 7 所示。

3 结 语

本文系统为当前的城市污水排放监测提供了一种新型方法，解决了传统人工巡查方式人员成本、时间成本高和对不良企业偷排现象监管效果差等问题。通过一系列测试，本文系统基本实现了低功耗、远距离传输的设计目标，以及在监测中心 Web 客户端实现数据实时显示和报警提醒等功能，可有效提高监管效率。