陈 丽，夏兴隆，卜树坡，等．基于ＬｏＲａ的低功耗水产养殖监测系统设计［Ｊ］．江苏农业科学，２０２１，４９（３）：１７６－１８２．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０２１．０３．０３１ 基于ＬｏＲａ的低功耗水产养殖监测系统设计
陈 丽１，夏兴隆２，卜树坡１，赵 展１，程 磊１，王莉莉３
（１．苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州２１５０００；２．苏州易泰勒电子科技有限公司，江苏苏州２１５１２３； ３．东南大学电子科学与工程学院，江苏南京２１００９６）
摘要：水产养殖环境的实时监测，可以提升水产养殖效率、实现科学养殖。考虑到户外监测节点多、分布距离远、供电不方便等特点，从低功耗电路设计、低功耗器件选择、低功耗算法等方面进行优化设计，使整个系统在电池供电条件下，满足长时间户外使用需求。同时，对一种低功耗广域网（ＬｏＲａ）无线通信距离进行优化设计，满足大面积养殖场地的应用需求。采用受限应用协议（ＣｏＡＰ）、轻量级的机器到机器（ＬＷＭ２Ｍ）协议将信号上传至ＯｎｅＮＥＴ平台。经过测试，该系统休眠功耗为３μＡ，工作时的平均功耗为２２．６８μＡ，无线传输距离半径不低于３６４ｍ。 关键词：ＬｏＲａ技术；低功耗；远距离无线通信；水产养殖；云平台；ＣｏＡＰ 中图分类号：ＴＮ９２；Ｓ１２６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０２１）０３－０１７６－０６
收稿日期：２０２０－０４－２２
基金项目：国家自然科学基金（编号：６１５０５０２８）；苏州农业技术应用基础研究项目（编号：
ＳＮＧ２０１８０３７）。作者简介：陈丽（１９８３—），女，江苏常州人，博士，讲师，主要从事物联网技术、显示技术、视觉感知相关研究。Ｅ－ｍａｉｌ：００７７５＠ｓｉｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
。 我国水环境污染严重，渔业水域环境质量不容乐观，水产养殖环境直接影响水产养殖成效，实时监测水产养殖生态环境可为科学水产养殖提供依据。与传统人工采集相比，传感器网络的搭建对于推进水产养殖智能化、科学化起到了积极作用。目前，已有不少研究者针对各类水环境参数设计了监测系统。部分采用基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的４８５通信方式，这种模式采用有线通信的方式，更适合在实验
室环境下对水质进行分析［１］。考虑到水产养殖场
地在户外，存在范围广、不易布线、供电困难等特点，这种场景下更合适使用无线监测系统。姚达雯等采用紫蜂（ＺｉｇＢｅｅ）技术与通用分组无线服务技术（ＧＰＲＳ）相结合的方式设计了适用于户外的水质监测系统，使用ＺｉｇＢｅｅ进行节点信息采集、汇总，在汇聚节点处采用ＧＰＲＳ将数据上传，实现了多点低功
耗实时远程监控［２］
。孙卓在这一方式的基础上，提
出自适应高速数据采样与传输、网络拓扑优化的具
体方法，提高了数据传输的速度［３］。这种模式虽然
可以满足一定场景下水质参数的监测，但是ＧＰＲＳ存在模块启动电流大的问题，将直接影响整个系统的功耗，而资费问题也将影响这一系统的推广。随 着通信技术的发展，窄带物联网（ＮＢ－ＩｏＴ）技术不断成熟，资费、功耗等物联网应用最关注的问题也得到了改进。蔡向科等提出了一种基于ＮＢ－ＩｏＴ和ＺｉｇＢｅｅ的低功耗水产养殖水质监测系统，这一系统在功耗、节点生存周期等性能方面得到了显著的
提升［４］
。在该系统中，主要通过设计采集周期自适
应调节算法和发射功率自适应调节算法来降低节点功耗，但是采用该方法会造成一定的丢包率。另
外，ＺｉｇＢｅｅ最常用的频段是２．４ＧＨｚ［５］，传输距离
短，不带低噪声放大器（ＬＮＡ）和功率放大器（ＰＡ）的ＺｉｇＢｅｅ模块在室外开阔场地，传输距离小于１１０ｍ。增加ＬＮＡ和ＰＡ，可以增加传输距离，但是会明显增加功耗。对于诸如苏州市阳澄湖这类大面积养殖场地，需要设置很多传感器节点进行自组网来解决这一问题，大大增加了成本，显然不能满足应用需求。因此，探索一种低功耗、远距离、高可靠的无线通信方式，对于提升水产养殖环境监测水平有着至关重要的作用。
与无线保真技术（ＷｉＦｉ）、ＺｉｇＢｅｅ等基于２．４ＧＨｚ免执照频段的通信技术相比，基于频率较低的Ｓｕｂ－ＧＨｚ（频率低于１ＧＨｚ）以下的频段开发组网技术，具有通信距离远，绕射能力强等特点，更适合大面积场景的信息传输。虽然这类技术频率低，存在传输速度慢的问题，但是在养殖环境监测过程中，传感器信息数据量较小，完全能满足该场景的应用需求。在众多基于Ｓｕｂ－ＧＨｚ频段开发的通信技术中，长距离（ＬｏＲａ）技术具有通信距离远、
运行可靠、低功耗、低成本等特点，在郊区最大传输距离可达１５ｋｍ，在小数据量传输的应用场景中具
认证机构管理系统
有明显的优势［
６－８］
。ＬｏＲａ技术在ＬｏＲａ联盟的大力推广下，已有通用的通信协议，逐渐成为物联网应用的重要支撑技术。与ＬｏＲａ相比，ＮＢ－ＩｏＴ也是最具潜力的无线通信技术，目前运营商们都在大力推广这一技术，由于ＮＢ－ＩｏＴ技术数量多，且能直接将数据通过云平台中转，能很方便地实现远程
监控，ＬｏＲａ不具备这一优势［８］
，但是采用这种技术，
需要支付额外的费用，当节点数量较多时，成本较高。
结合Ｌ
ｏＲａ和ＮＢ－ＩｏＴ的优势，本研究设计出一种适用于大面积水产养殖的环境监测系统，并从低功耗器件选型、能量回收、优化通信方案３个角度对系统进行低功耗设计，满足户外场景的应用需求。１ 系统总体设计
本系统主要包括水环境信息监测节点、、云平台，整体架构如图１所示。其中，信息监测节点包括水环境信息采集、信息传输功能。考虑到ＬｏＲａ技术通信距离及低功耗的需求，本研究主要采用星
型网络架构，这种架构不需要复杂的路由协议，更利于实现低功耗。每个信息监测节点通过溶氧传感器、ｐＨ值传感器等采集养殖区域的水环境信息，通过ＬｏＲａ模块将信息发送至。通过ＬｏＲａ模块接收各节点发来的数据，搭载ＮＢ（窄带）模块，将收集的监测信息上传至云平台，使用者可单向离合器轴承
以通过云平台进行远程实施监控。
自制cd架２ 低功耗节点硬件设计
信息监测节点可以实现信息采集、无线通信。系统由ＳＴＭ８型单片机、ＬｏＲａ通信模块、传感器模块、电源模块等组成。其中，水质传感器又包括ｐＨ值传感器、溶氧传感器。其硬件系统结构如图２
所示。
整个系统的核心器件为单片机，相比无线处理的大信息量数据，单个节点任务的处理难度较低、数据量较小，对单片机的要求并不高，因此选择了性价比高、稳定可靠的ＳＴＭ８系列单片机。单片机通过ＲＳ４８５串行接口与传感器模块进行通信，同时增加低功耗供电及数据模块，当休眠时，
用于切断工作电源以降低功耗。通信模块与单片机连接，可进行双向通信。通信模块选择支持ＬｏＲａ的ＳＸ１２７８模块，该模块可实现远距离无线通信，且抗干扰能力强，该模块通过串行外设接口（ＳＰＩ）总线与单片机进行通信。整个节点系统中，不同模块的工作电压不同，大部分均在３．３Ｖ下工作，各类水质传感器在１２Ｖ下工作，需要进行升压处理。
与相比，本研究的低功耗硬件系统节点的
域名管理数量多，位置分散，且无法实现外部供电，对低功耗要求更高。本研究中，低功耗节点的硬件设计主要从以下几方面实现。２．１ 超低功耗电子器件应用
为了满足超低功耗的节点需求，对于节点中最核心的单片机模块、电源转换模块、无线通信模块均选取低功耗电子器件。
单片机模块选取意法半导体（
ＳＴ）公司的ＳＴＭ８Ｌ０５２型超低功耗单片机，该单片机待机功耗小于０
．８μＡ，非常适合超低功耗的节点组网控制。电源转换芯片采用超低功耗升压直流转换芯片ＳＧＭ６６０９９，该芯片能够把１．１～３．３Ｖ的输入电压转换为３．３Ｖ的恒定输出电压，并且工作功耗仅为０．６μＡ，是一种超低功耗的升压电池管理芯片。
无线通信ＬｏＲａ通信模块采用高度集成化封装芯片Ｓ７８Ｆ，该芯片将Ｓｅｍｔｅｃｈ公司的１２７８芯片、匹配网络、
ＬＮＡ低噪放芯片、晶振集成在一块芯片内，与传统的无线模块搭配周边电路的模式相比，大大降低了ＬｏＲａ模块的工作电流，提高了无线性能及无线采集节点的可靠性。２．２ 低功耗电路
低功耗电路包括电源开关电路、电源转换电路和数据采集电路３个部分。通过电源开关电路的通断控制后续电路供电，定时打开数据采集电路进行数据采集以实现低功耗。
２．２．１ 电源开关电路 电源开关电路由３Ｖ电池供电，输出电压是由ＰＯＷＥＲ－ＯＮ开关信号控制的３Ｖ电压。通过图３的电源开关电路实现电池电能的输出。当开关信号为高电平时，Ｎ型金属氧化物半导体管（Ｎ－ＭＯＳ）Ｑ３打开，控制Ｐ型金属氧化物半导体管（Ｐ－ＭＯＳ）Ｑ２导通，输出３Ｖ电压；当开关信号为低电平时，２个ＭＯＳ管均关闭，
不消耗电池电量。
２．２．２ 电源转换电路 整个硬件电路中，不同器件需要不同的工作电压。８路ＲＳ４８５芯片和光耦芯片的工作电压为５Ｖ
、传感器工作电压为１２Ｖ，其余芯片工作电压均为３Ｖ。因此，需要设计电源转换电路，将电源开关电路的３Ｖ输出分别升压至５Ｖ和１２Ｖ。
图４给出电源转换电路，通过ＤＣ－ＤＣ变压器，将电源开关电路的输出电压升压至１２Ｖ。经过Ｌ
ＤＯ芯片将１２Ｖ电压转至５Ｖ
电压进行输出。
２．２．３ 数据采集电路 数据采集电路由４８５芯片、光隔离模块组成，如图５所示。Ｊ１接传感器，通过４８５芯片进行信号转换，经过光隔离模块送至单片机。当不需要采集时，单片机通过电源开关电路将电路关断，而控制信号ＲＸＤ、ＴＸＤ、ＤＩＲ均输出高电平，使信号线没有漏电流存在，实现零功耗待机；当需要采集信号的时候，打开电源进行数据采集。２．３ 超低功耗的脉冲式采集方法
通过降低采集、通信时间的占比，实现低功耗工作及组网。
通过本研究策略，ＬｏＲａ无线组网的电流小于１５ｍＡ，时间小于４０ｍｓ，连接频率为１０ｍｉｎ／次，平均电流可以通过公式（１）进行计算。
ＩＬｏＲａ＝１５ｍＡ×４０ｍｓ
１０×６０ｓ
＝１μＡ。（１）
水质传感器消耗的电流小于２８０ｍＡ，工作时间小于４０ｍｓ，采集频率为１０ｍｉｎ／次，平均电流可以
通过公式（２）进行计算。
ＩＳｅｎｓｏｒ＝２８０ｍＡ×４０ｍｓ
１０×６０ｓ
＝１８．６７μＡ。（２）
节点的待机总电流小于３μＡ。通过计算，节点的平均电流为２２．６８μＡ。１μＡ年耗能为８．７
６ｍＡｈ，因此理论计算得到该系统年功耗为１９８ ６８ｍＡｈ。按照２０００ｍＡｈ的５号电池容量计算，理论上节点可以使用１０年。考虑到电池本身的寿命，整个系统采用电池供电方案的使用寿命大于５年。
３ 硬件设计
一般数量少，同时选择可以方便接入外部电源的位置进行安装。因此，即使工作电流较大，通常也不需要低功耗的特殊设计。如图所示，整个系统核心器件为单片机，考虑到网关需要处理来自各节点的信息，处理难度大、过程复杂、数据量大，因
此选择搭载了ＡＲＭ内核的ＳＴＭ３２Ｌ微控制器，该系列产品处理能力较强、稳定可靠，适用于水产养殖环境监测系统。系统搭载与节点相同的ＬｏＲａ模块，用于实现与节点间的通信，该模块与单片机间通过ＳＰＩ总线进行通信。同时，系统搭载了移远的ＢＣ２８ＮＢ－ＩｏＴ模块，通过窄带蜂窝网络将采集到的数据上
传至云平台。
４ 系统软件设计４．１ 信息监测节点
节点负责采集信息并将采集到的信息汇总到网关。节点工作流程如图７所示。
节点大部分时间处于休眠状态，节点定时唤醒，单片机进入工作状态并读取传感器信号，判断是否有无线信号，如果有无线信号则将信息通过通信模块发送给无线。整个流程结束后，系统再次进入休眠状态。如果没有无线信号，直接进入休眠状态。
４．２ 软件设计
负责收集节点的信息并将信息上传至云平台。工作流程如图８
所示。
开始工作后，ＳＴＭ３２微控制器判断从第１个节点开始，向节点发送数据采集指令；发送后，等待节点响应，并读取节点采集的信息，并将信号发送至云平台。
判断变量Ｎ是否小于节点数，
当数量小于节点数则加１，继续轮询下一个节点采集到的信息；当Ｎ到达节点数后，将Ｎ重置１。
所有流程结束后，延时一定时间，重新开始轮询节点采集到的信息。５ 数据上传至云平台
本研究采用ＮＢ－ＩｏＴ硬件模块，并通过该模块将信息上传至ＯｎｅＮＥＴ平台，数据上传采用ＣｏＡＰ＋ＬＷＭ２Ｍ协议。其中，ＣｏＡＰ作为传输层协议规定数
据上传的报文格式。
整个报文包括版本号、报文类型、ＴＫＬ标志符长度、响应码和报文编号。汽车油箱结构
ＣｏＡＰ协议定义了４种不同形式的报文：ＣＯＮ报文、ＮＯＮ报文、ＡＣＫ报文和ＲＳＴ报文，不同形式的报文表示不同的服务质量。考虑到统一由网关进行数据上传，选择ＣＯＮ报文，通过重发的方式以降低丢包率。
这种协议可以采用Ｔｏｋｅｎ动态鉴权信息进行鉴权。Ｔｏｋｅｎ由ｖｅｒｓｉｏｎ、ｒｅｓ、ｅｔ、ｍｅｔｈｏｄ、ｓｉｇｎ这几个参数构成，分别表示版本号、访问资源、过期时间、签名方法、签名结果。计算后得到如下Ｔｏｋｅｎ值：ｖｅｒｓｉｏｎ＝２０１８－１０－３１＆ｒｅｓ＝ｐｒｏｄｕｃｔｓ／１２３１２３＆ｅｔ＝１５３７２５５５２３＆ｍｅｔｈｏｄ＝ｓｈａ１＆ｓｉｇｎ＝ＺｊＡ１ＮｚＺｌＭｍＭｘＹｚＩＯＴｇ３ＭｊＢｚＮｊＹＴＩ２ＭｊＡ４Ｙｗ＝该值为动态值，根据过期时间设置结果决定有效时长，以提高安全性能。
Ｏｐｔｉｏｎ中给出报文选项，通过报文选项可设定ＣｏＡＰ主机、ＣｏＡＰＵＲＩ、ＣｏＡＰ请求参数和负载媒体类型。
６ 性能测试与分析
本研究旨在设计低功耗的水产养殖监测系统，功耗测试是重要的评估指标之一。同时，考虑到远程监测的需求，无线通信距离直接影响节点、网关的铺设数量。因此，系统设计完成后，对以下指标进行测试。
６．１ 功耗测试
功耗测试主要集中在２个功耗较大的器件：通信模块和水质传感器模块。
经过测试，给出无线通信时ＬｏＲａ模块的工作电流脉冲如图９所示，将采样电阻（１０Ω）串联到ＬｏＲａ模块的电源输入正极，采样电压、脉冲分别为４０、１５０ｍＶ，计算得到的电流脉冲分别为４、１５ｍＡ，时间分别为３、３７ｍｓ，脉冲周期为１０ｍｉｎ，由式（３）计算得到平均电流约为０．９５μＡ，略小于理论计
算值。
Ｉ
ＬｏＲａ
＝
１５ｍＡ×３７ｍｓ＋４ｍＡ×３ｍｓ
１０×６０ｓ
＝０．９５μＡ。
（３） 水质传感器电流采样电阻为０．２Ω，采样脉冲电压为５６ｍＶ，计算得到的脉冲电流为２８０ｍＡ。传感器工作时间小于４０ｍｓ，功耗也略小于理论计算值。
６．２ 无线传输距离
ＬｏＲａ技术的开发最初主要定位于低传输信息量的应用场景，开发目标为一次发送信息量不超过几个字节［９］。该技术采用线性调频扩频技术［１０］，既可保持像频移键控调制相同的低功耗特性，
又明显增加了通信距离，提高了网络效率并消除了干扰。该技术的主要参数包括带宽、扩频因子和码率。这些指标直接影响通信效率，它们与比特率、信号在空气中的持续时间的关系可由式（４）、（５）表示［９］。
Ｒ
ｂ
＝ＳＦ×
ＢＷ
２ＳＦ
渣油储罐清洗处理×ＣＲ。（４）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议