CN107846459A - 一种基于LoRa技术的城市空气质量实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LoRa技术的城市空气质量实时监测系统。本发明客户端向云端服务器发送参数配置信息或接收云端服务器发送的空气质量信息。云端服务器接收客户端发出的参数配置信息并向网关节点发送或接收网关节点发出的空气质量信息并向客户端发送；网关节点接收云端服务器发出的参数配置信息并向终端节点发送或接收终端节点发出的空气质量信息并向云端服务器发送。终端节点采集空气质量信息并向网关节点。本发明使用超低功耗的LoRa方式来进行通信，使得供电的负担减小，不用频繁更换电池，缩短了各节点设备维护周期，利于在室外布置节点。城市小范围区域内的实时空气质量精确监测，并能最及时的通过互联网向用户反馈。

Description

一种基于LoRa技术的城市空气质量实时监测系统

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，涉及一种基于LoRa技术的城市空气质量实时监测系统。

背景技术

近年来，城市环境问题日益突出，尤其是雾霾污染给人类的身心健康、生产生活都带来了极严重的影响。治理雾霾问题，保护空气环境刻不容缓，国家及各级政府也已出台减排目标。传统的空气质量监测通过WIFI、3G、Zigbee等无线通信方式将各监测点的空气质量数据传给监测中心，但这种系统体积大、功耗高、无线通信距离近，并且局限于城市中极少数地点的监测，并以此为根据得出整个城市的污染情况。然而城市区域广阔，尤其是现代化的大中型城市，不同地区空气质量存在明显差异，室外特殊的工作环境对供电系统和设备体积也有着很高的要求，现有的空气质量监测系统实时性和准确性都有待提高。此外，随着近年来的科技发展，PM2.5传感器等空气质量监测设备造价大大降低，精度不断提高，从而为本系统大规模部署和普及提供了可能。

LoRa技术即超长距离低功耗数据传输技术，是近年来快速发展的低功耗广域网(LPWAN)通信技术中的一种，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性。LoRa技术采用扩频技术，大大提高了接受的灵敏度，而且在相同的频率下不同的扩频序列也不会相互干扰，其频段也不会对运营商、广播台造成干扰，一个节点能够并行接收处理多个节点的数据，系统容量大大提高。理论上每个节点与节点之间的可视通信距离达5公里，这为本系统在城市中更广的覆盖提供了可能。并且LoRa技术采用数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术相结合的方式，尽量降低数据信息在超远距离传输过程中的丢包率，提高抗干扰能力，保证了无线通信的可靠性。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于LoRa技术的城市空气质量实时监测系统。

本发明一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，包括终端节点、网关节点、云端服务器与客户端。所述的终端节点设置在城市范围内的任意角落，用于通过LoRa模块接收网关节点发出的参数配置信息，采集终端节点设置位置所在区域的空气质量信息，同时通过LoRa模块向网关节点发送采集到的空气质量信息。网关节点通过LoRa模块向终端节点发送参数配置信息或接收终端节点采集到的空气质量信息；网关节点通过GPRS模块接收云端服务器发出的参数配置信息或向云端服务器发送网关节点接收的空气质量信息。云端服务器用于通过GPRS模块向网关节点发送参数配置信息或接收网关节点发出的空气质量信息；云端服务器通过Internet接收客户端发出的参数配置信息或向客户端发送云端服务器接收的空气质量信息。客户端是面向用户的部分，用户使用客户端通过Internet向云端服务器发送参数配置信息或通过Internet接收云端服务器发出的空气质量信息。

所述的终端节点包括终端电源单元、终端数据采集单元、终端MCU控制单元和终端数据传送单元。终端电源单元包括终端复位电路、终端电池电量采集电路和终端压稳压电路。当终端节点出现异常的时候通过复位电路进行复位操作，通过电池电量采集电路反馈当前终端节点剩余的电量以便工作人员及时更换电池，通过降压稳压电路将外部电池的供电电压降至MCU的稳定的工作电压3.3V。数据采集单元包括空气检测模块和信号处理电路。空气检测模块包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、气体传感器、风向传感器、风速传感器等传感器；信号处理电路将空气检测模块中传感器采集到的模拟信号进行滤波放大并转换成数字信号。终端MCU控制单元采用超低功耗单片机，用来控制终端节点的工作状态，通过SPI读写寄存器的方法，切换数据传送单元中LoRa模块发射和接收的状态，并控制LoRa模块进入休眠、唤醒等相应的工作模式。终端数据传送单元包括LoRa模块，用于和网关数据传送单元通信，接收网管节点发出的参数配置信息或将经过处理后的空气质量信息打包发送给网关节点。终端节点的终端数据传送单元采用远距离低功耗无线通信技术LoRa模块。

所述的网关节点包括网关电源单元、网关数据传送单元和网关MCU控制单元。其中网关电源单元和终端电源单元相似，包括网关复位电路、网关电池电量采集电路和网关降压稳压电路；当网关节点出现异常的时候通过复位电路进行复位操作，通过电池电量采集电路反馈当前终端节点剩余的电量以便工作人员及时更换电池，通过降压稳压电路将外部电池的供电电压降至MCU的稳定的工作电压3.3V。网关数据传送单元包括LoRa模块和GPRS模块。LoRa模块用于和终端节点通信，接收各终端节点发送过来的空气质量信息或向终端节点发送参数配置信息。GPRS模块用于和云端服务器通信，将所在区域终端节点采集的数据发送给云端服务器或接收云端服务器发出的参数配置信息。网关MCU控制单元采用超低功耗单片机，通过SPI接口控制网关数据传送单元中LoRa模块收发状态和工作模式，同时控制GPRS模块与云端服务器进行收发通信。

所述的每个终端节点与网关节点之间的可视通信距离最远为5公里。

所述的客户端包括基于安卓和iOS系统的APP以及基于Windows系统的Web端界面显示。用户通过客户端在智能手机或者电脑查看某一监测点的空气质量信息。

所述的每一个终端节点都配有一个固定ID。

所述的参数配置信息包含需查看终端节点的ID编号、需查看终端节点采集模式、需查看终端节点的时间参数和终端节点状态。

作为优选，所述的LoRa模块选用433MHz、100mW的SX1278无线通信模块。

本发明将LoRa应用于城市空气质量监测系统，能够在保证长距离通信的情况下最大限度的保证最低功耗，在保证低功耗的同时最大程度的提高了无线通信情况下数据的传输距离，并且能保证极低的数据丢包率。相比于现在流行的使用Zigbee技术进行无线数据传输的空气质量监测系统，更长的通信距离使得城市大范围终端节点的分布更为自由，节省终端节点的数量；使用超低功耗的LoRa方式来进行通信，根据参数配置要求自动休眠和唤醒，使得本系统供电的负担减小，可以采用电池供电的方式且不用频繁更换电池，缩短了各节点设备维护周期，利于在室外布置节点。本系统克服了现有监测系统实时性差和精确度差的缺陷，最大精度的实现了城市小范围区域内的实时空气质量监测，并能最及时的通过互联网向用户反馈，为城市环境治理和精细化管理提供了可靠基础，为人们的出行生活带来了方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为终端节点等间隔采集模式的时序图；

图3为终端节点集中式采集的时序图；

具体实施方式

如图1所示,一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，包括终端节点4、网关节点5、云端服务器6与客户端7。终端节点4设置在城市范围内的任意角落，用于通过LoRa接收网关节点5发出的参数配置信息，采集终端节点设置位置所在区域的空气质量信息，同时通过LoRa向网关节点5发送采集到的空气质量信息。网关节点5通过LoRa向终端节点4发送参数配置信息或接收终端节点4采集到的空气质量信息；网关节点5通过GPRS模块接收云端服务器6发出的参数配置信息或向云端服务器6发送网关节点5接收的空气质量信息。云端服务器6用于通过GPRS模块向网关节点发送参数配置信息或接收网关节点5发出的空气质量信息；云端服务器6通过Internet接收客户端7发出的参数配置信息或向客户端7发送云端服务器6接收的空气质量信息。客户端7是面向用户的部分，用户使用客户端7通过Internet向云端服务器6发送参数配置信息或通过Internet接收云端服务器6发出的空气质量信息。

终端节点4包括终端电源单元、终端数据采集单元、终端MCU控制单元和终端数据传送单元。终端电源单元包括终端复位电路、终端电池电量采集电路和终端压稳压电路。当终端节点4出现异常的时候通过复位电路进行复位操作，通过电池电量采集电路反馈当前终端节点剩余的电量以便工作人员及时更换电池，通过降压稳压电路将外部电池的供电电压降至MCU的稳定的工作电压3.3V。

数据采集单元包括空气检测模块和信号处理电路。空气检测模块包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、气体传感器、风向传感器、风速传感器等传感器；信号处理电路将空气检测模块中传感器采集到的模拟信号进行滤波放大并转换成数字信号。

终端MCU控制单元采用超低功耗单片机，用来控制终端节点的工作状态，通过SPI读写寄存器的方法，切换数据传送单元中LoRa模块发射和接收的状态，并控制LoRa模块进入休眠、唤醒等相应的工作模式。

终端数据传送单元包括LoRa模块，用于和网关数据传送单元通信，接收网管节点发出的参数配置信息或将经过处理后的空气质量信息打包发送给网关节点。终端节点的终端数据传送单元采用远距离低功耗无线通信技术LoRa模块，选用的是433MHz、100mW的SX1278无线通信模块，该无线通信模块有四种工作模式：1)一般模式；2)唤醒模式；3)休眠模式；4)省电模式。本系统中网关节点的LoRa模块工作在唤醒模式，当需要各终端节点监测空气质量数据时，网关节点向终端节点发送唤醒码。当信道相同的终端节点接收到对应的唤醒码时开始发送数据。

终端节点设备具备三种状态：1)工作状态；2)唤醒状态；3)休眠状态。工作状态下，终端MCU控制单元、终端数据采集单元、终端数据传送单元和终端电源单元都按照设定的程序工作；唤醒状态下终端MCU控制单元处于低功耗模式，终端数据采集单元停止工作，仅留终端数据传送单元处于待接收命令模式，用于接收初始通电下网关节点发送过来的唤醒码和参数配置信息，终端节点根据配置的参数开始进入工作状态；休眠状态下终端MCU控制单元处于低功耗模式，终端数据采集单元停止工作，终端数据传送单元停止工作，每一次测量完毕后设备自动进入休眠状态，将设备功耗降到最低，终端MCU控制单元等待中断唤醒，从而进入唤醒状态。在不同状态下终端节点可以实现快速切换，其中休眠模式下工作电流理论上只有2uA，和使用电池供电的产品形态非常契合，且每个节点无需频繁更换电池，适合在户外大规模布置。终端节点的采集模式有两种，等间隔采集和集中式采集。如图2所示，为等间隔采集模式示意图，其中TP表示一个采集时间，TE表示采集间隔，MCU通过SPI接口控制数据采集单元工作，并适时判断信息是否采集完毕。终端节点的数据采集单元将采集到的信息通过信号处理电路到MCU，MCU通过SPI接口控制数据传送单元，数据传送单元根据接收到的命令，将接收数据状态切换至发射数据状态，并将采集到的空气质量信息等数据打包发送至网关节点，并判断数据是否发送完毕，若完毕，则终端节点进入休眠模式以降低功耗，等待下一次的唤醒。如图3所示，为集中式采集模式示意图，终端节点会在一天中某个时间段进行连续采集，其余时间终端节点进入休眠状态，算出该时间段空气质量各数据的平均值，当对某区域某时间段空气质量监测有特殊要求，但没必要每天进行监测时这种模式才会启用，例如监测工厂周边的空气质量情况。这种模式提高了准确度的同时又降低了功耗，并延长了设备的使用寿命。

网关节点5包括网关电源单元、网关数据传送单元和网关MCU控制单元。其中网关电源单元和终端电源单元相似，包括网关复位电路、网关电池电量采集电路和网关降压稳压电路；当网关节点5出现异常的时候通过复位电路进行复位操作，通过电池电量采集电路反馈当前终端节点剩余的电量以便工作人员及时更换电池，通过降压稳压电路将外部电池的供电电压降至MCU的稳定的工作电压3.3V。

网关数据传送单元包括LoRa模块和GPRS模块。LoRa模块用于和终端节点通信，接收各终端节点发送过来的空气质量信息或向终端节点发送参数配置信息。GPRS模块用于和云端服务器6通信，将所在区域终端节点采集的数据发送给云端服务器6或接收云端服务器6发出的参数配置信息。

网关MCU控制单元采用超低功耗单片机，通过SPI接口控制网关数据传送单元中LoRa模块收发状态和工作模式，同时控制GPRS模块与云端服务器6进行收发通信。

由于LoRa模块的超远距离传输的特性，每个终端节点4与网关节点5之间的可视通信距离最远为5公里。

客户端7包括基于安卓和iOS系统的APP以及基于Windows系统的Web端界面显示。用户通过客户端在智能手机或者电脑查看某一监测点的空气质量信息。

本发明为城市中所布置的每一个终端节点都配有一个固定ID，每一个ID的地点固定，例如，学校附近的终端节点ID编号为1，工厂附近的终端节点ID编号为2，某主干道路附近的终端节点ID编号为3，以此类推，用地点固定ID编号的方式代替GPS定位系统，这样就解决了由GPS定位带来的高耗电问题，减小本系统供电负担，符合电池供电的产品形态，符合户外长时间工作的要求。用户可以输入相应ID编号查看该城市内任意终端节点4周围实时空气质量情况和历史空气质量走势，在一定意义上可以给政府的执法提供指导，并帮助公民履行监督权。

参数配置信息包含需查看终端节点的ID编号；需查看终端节点采集模式选择：等间隔采集或集中式采集；需查看终端节点的时间参数：启动时间、采集间隔时间、一个周期采集的次数；终端节点状态选择：休眠状态、工作状态或唤醒状态。

工作过程：用户使用客户端通过Internet向云端服务器发送参数配置信息，参数配置信息包含需查看终端节点的ID编号；需查看终端节点采集模式选择：等间隔采集或集中式采集；需查看终端节点的时间参数：启动时间、采集间隔时间、一个周期采集的次数；终端节点状态选择：休眠状态、工作状态或唤醒状态。

云端服务器根据客户端发出的参数配置信息通过GPRS向各网关节点发出请求，同时网关节点中各模块通过SPI端口通讯，完成对网关数据传送单元中LoRa模块的初始化和工作状态的设定,网关节点再通过LoRa模块向各终端节点发出请求。当需查看终端节点的终端数据传送单元侦测到空中有该频段的LoRa信号时，该终端节点的终端数据传送单元的LoRa模块从休眠状态被唤醒，切换至工作模式，终端节点的终端MCU控制单元开始初始化。终端节点的终端数据采集模块根据设定的工作参数开始采集空气质量信息。终端数据采集模块内的温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、气体传感器、风向传感器、风速传感器等传感器开始工作；通过终端数据采集模块内的信息处理电路将传感器采集到的空气质量信息模拟信号进行滤波放大并转换成数字信号。然后，需查看终端节点通过终端数据传送单元的LoRa模块向网关数据传送单元的LoRa模块发送空气质量信息。网关数据传送单元通过GPRS向云端服务器发送空气质量信息。云端服务器接收空气质量信息数据并保存，云端服务器将获得的空气质量信息得出当前该区域范围内空气质量信息和空气质量等级，并将空气质量信息和空气质量等级听过Internet上传至客户端，客户端用户使用手机或电脑通过互联网能够随时随地访问云端服务器，输入相应对应终端节点的ID，查询目标区域空气质量情况。云端服务器根据不同用户不同的需要，对空气质量信息进行保存，环保部门利用大数据将历史数据进行整理和分析，得出某个特定的区域空气质量图表，以此检验某段时间环境整顿的效果，并且可以初步追踪和分析城市空气污染来源，例如，工厂周边污染和道路尾气污染到底哪一个是城市污染的第一污染源，为学校、医院、公园、运动场的选址提供理论依据，为政府精细管理和执法提供指导；个人用户也可以对空气质量进行查看和监督，现有的各种空气质量APP实时性差，准确度也不高，往往只能精确到县区，而且更新时间慢，往往不能满足用户的需要，而在本发明中，用户可以随时通过手机或电脑打开客户端，查看目标地点当前的空气质量信息，并根据提示合理安排出行计划、行车路线和锻炼地点。

Claims (8)

1.一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，包括终端节点、网关节点、云端服务器与客户端；其特征在于：所述的终端节点设置在城市范围内的任意角落，用于通过LoRa模块接收网关节点发出的参数配置信息，采集终端节点设置位置所在区域的空气质量信息，同时通过LoRa模块向网关节点发送采集到的空气质量信息；网关节点通过LoRa模块向终端节点发送参数配置信息或接收终端节点采集到的空气质量信息；网关节点通过GPRS模块接收云端服务器发出的参数配置信息或向云端服务器发送网关节点接收的空气质量信息；云端服务器用于通过GPRS模块向网关节点发送参数配置信息或接收网关节点发出的空气质量信息；云端服务器通过Internet接收客户端发出的参数配置信息或向客户端发送云端服务器接收的空气质量信息；客户端是面向用户的部分，用户使用客户端通过Internet向云端服务器发送参数配置信息或通过Internet接收云端服务器发出的空气质量信息。

2.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的终端节点包括终端电源单元、终端数据采集单元、终端MCU控制单元和终端数据传送单元；终端电源单元包括终端复位电路、终端电池电量采集电路和终端压稳压电路；当终端节点出现异常的时候通过复位电路进行复位操作，通过电池电量采集电路反馈当前终端节点剩余的电量以便工作人员及时更换电池，通过降压稳压电路将外部电池的供电电压降至MCU的稳定的工作电压3.3V；数据采集单元包括空气检测模块和信号处理电路；空气检测模块包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、气体传感器、风向传感器、风速传感器等传感器；信号处理电路将空气检测模块中传感器采集到的模拟信号进行滤波放大并转换成数字信号；终端MCU控制单元采用超低功耗单片机，用来控制终端节点的工作状态，通过SPI读写寄存器的方法，切换数据传送单元中LoRa模块发射和接收的状态，并控制LoRa模块进入休眠、唤醒等相应的工作模式；终端数据传送单元包括LoRa模块，用于和网关数据传送单元通信，接收网管节点发出的参数配置信息或将经过处理后的空气质量信息打包发送给网关节点；终端节点的终端数据传送单元采用远距离低功耗无线通信技术LoRa模块。

3.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的网关节点包括网关电源单元、网关数据传送单元和网关MCU控制单元；其中网关电源单元和终端电源单元相似，包括网关复位电路、网关电池电量采集电路和网关降压稳压电路；当网关节点出现异常的时候通过复位电路进行复位操作，通过电池电量采集电路反馈当前终端节点剩余的电量以便工作人员及时更换电池，通过降压稳压电路将外部电池的供电电压降至MCU的稳定的工作电压3.3V；网关数据传送单元包括LoRa模块和GPRS模块；LoRa模块用于和终端节点通信，接收各终端节点发送过来的空气质量信息或向终端节点发送参数配置信息；GPRS模块用于和云端服务器通信，将所在区域终端节点采集的数据发送给云端服务器或接收云端服务器发出的参数配置信息；网关MCU控制单元采用超低功耗单片机，通过SPI接口控制网关数据传送单元中LoRa模块收发状态和工作模式，同时控制GPRS模块与云端服务器进行收发通信。

4.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的每个终端节点与网关节点之间的可视通信距离最远为5公里。

5.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的客户端包括基于安卓和iOS系统的APP以及基于Windows系统的Web端界面显示；用户通过客户端在智能手机或者电脑查看某一监测点的空气质量信息。

6.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的每一个终端节点都配有一个固定ID。

7.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的参数配置信息包含需查看终端节点的ID编号、需查看终端节点采集模式、需查看终端节点的时间参数和终端节点状态。

8.如权利要求1所述的一种基于LoRa的城市空气质量实时监测系统，其特征在于：所述的LoRa模块选用433MHz、100mW的SX1278无线通信模块。