CN111638310A - 基于LoRa的河流水质监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于LoRa的河流水质监测系统。系统包括浮动检测终端、LoRa网关、远端服务器、监测终端。浮动检测终端包括主控模块、LoRa通信模块、GPS模块、电源模块、传感器模块、固定锚和浮板。传感器模块包括空心伸缩杆、密封壳体、PH传感器、COD传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器和总磷传感器。浮动检测终端采集数据通过LoRa网关传至远端服务器，监测终端接收远端服务器处理过的数据，进行数据可视化展示、阈值监测指令下达。本发明解决了难以广覆盖、长时间有效进行水质监测的问题，并确保了数据传输的稳定性、安全性。
Description
技术领域
本发明涉及地表水监测领域，特别涉及基于LoRa的河流水质监测系统。
背景技术
至今，我国已经建设了覆盖全国各大领域的监测系统，但多以人工监测站为主，工作量大，且利用化学试剂进行的检测容易造成二次污染，无法长期进行实时监测。而且目前水质监测站多以运营商网络传输，其应用范围有限，野外长距离传输成本太高，且只能满足部分水域水质监测，无法实现区域联网，水质监测作为水资源保护、水污染控制及水生态文明建设的重要手段，就需要搭建功耗低、覆盖面广、成本低、实时性强的水质监测网络。
中国专利CN109489725A公开了一种基于GRPS的无线水质监测方法。该方法利用无线通信技术进行水质数据传输，解决了人工监测站点无法长期实时监测的问题。但该专利中传感器模块只检测了两个指标，无法达到整体水质评价要求，且GRPS不利于野外长距离传输效。中国专利CN110824128A公开了一种基于物联网的水质监测系统与监测方法，最大限度的减少了人员维护频率，保证水质监测系统获得现场设备参数及状态的实时性且设备功耗低。但该系统使用的Zigbee通讯模块配置局域网，野外传输距离太短，大范围搭建成本太高。
针对于此，我们要在技术上创新、改进和提升水质监测的自动化进程，高效低成本的解决水质监测问题，建设满足低功耗、广覆盖、实时性强，可以对大流域的水质进行实时监测的系统。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前国内水质监测高人工率、高成本、实时性低的问题，用LoRa通讯模块搭建一种基于广域网的监测指标更全面的可在野外环境更远距离传输数据的水质监测系统。
一种基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：包括浮动检测终端、LoRa网关、远端服务器、监测终端，所述浮动检测终端包括主控模块、LoRa通信模块、GPS模块、电源模块、传感器模块、固定锚和浮板，所述电源模块包括太阳能光伏罩、光伏控制器和蓄电池，所述太阳能光伏罩放置于浮板上形成密闭空间并具备IP67的防护等级，对内部设备具有一定的防护作用，所述太阳能光伏罩的额定输出电压为18V由光伏控制器转换为蓄电池和主控模块所需12V电压，所述主控模块、LoRa通信模块、GPS模块、光伏控制器和蓄电池分别设置于浮板上，分布于太阳能光伏罩形成的密闭空间内，所述传感器模块包括空心伸缩杆、密封壳体、pH传感器、COD传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器和温度传感器，所述空心伸缩杆固定于浮板的中心位置，空心伸缩杆的正下方设有密封壳体，密封壳体内横向设置有五个传感器，包括pH传感器、COD传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器和温度传感器，传感器探针裸露于待测水体中，传感器连接线通过空心伸缩杆与主控模块相连接，所述LoRa通信模块、GPS模块、电源模块和传感器模块依次与主控模块连接，采集到水质数据和位置信息后将通过LoRa网关传输至远端服务器，所述固定锚呈水平对称分布设置于浮板的左右两侧，在监测系统工作时，将固定锚置于待测位置水体中，用以固定检测系统位置，所述浮动检测终端在待监测流域中将设置多个监测点形成监测网络，所述远端服务器负责所有前段设备和数据的统一管理，所述监测终端在接收远端服务器的数据后进行数据可视化展示、各监测指标阈值监测预警、网关配置和指令下达。
可选的，所述远端服务器主要负责设备接入、数据包接收、数据包校验、数据存储、数据分类整理和数据处理，在主控模块向传感器模块传递唤醒信号后，远端服务器向主控模块发送数据读取指令，远端服务器首先对读取的数据包进行格式验证和初步处理，保留信息的有效位，删除冗余信息，然后创建文件分类存储数据，保证水质检测数据无覆盖无丢失，随后将处理后的水质检测数据发送至监测终端。
可选的，所述传感器模块中空心伸缩杆为防水、防腐蚀材料制成，所述传感器模块可测量我国地表水环境主要污染指标，包括pH值、COD含量、溶解氧含量、氨氮含量、水温，根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅰ～Ⅲ类水标准，pH值安全限值范围在6～9之间，COD安全限值在15～20mg/L之间，溶解氧安全限值在5～7.5mg/L之间，氨氮安全限值在0.15～1.0mg/L之间，水温周平均变化最大升温≤1，周平均最大降温≤2，当某项指标超出安全限值外时监测终端将会发出报警信息。
可选的，所述LoRa通信模块采用E22-900T30S无线串口模块，E22-900T30S无线串口模块可实现多级中继组网且只需供电，无需另设控制模块，通过改变M1和M0引脚的配合模式可以进行传输模式、WOR模式、配置模式和深度休眠模式的切换，便于野外环境下设备运行的自动化管理。
所述基于LoRa的河流水质监测系统,具体实施方案，包括以下步骤：
选定河流中合适的监测网点后，放置各监测点位的浮动检测终端，在选定位置放下固定锚，调节空心伸缩杆使传感器模块探针到达待测水体位置，根据实际需求进行中继组网设置好LoRa网关，监测终端发出检测指令，浮动检测终端在接收信号后主控模块发出唤醒信号，LoRa通信模块进入传输模式，浮动检测终端的主控模块进行系统自检，确认系统正常后读取传感器模块的水质信息和GPS模块的位置信息，采集的数据通过LoRa通信模块和LoRa网关传至远端服务器，数据传输完成后检测终端将切断电源进入休眠模式，等待下个采样周期的唤醒信号，监测终端接收到远端服务器处理过的数据后，进行数据可视化展示和阈值监测，若某项水质指标超过预设阈值，在发出报警信号的同时唤醒浮动检测终端进行二次检测上报数据，再次发出报警信息提醒相关人员采取措施。
本发明与现有技术相比，有益效果是：针对大流域的河流水质自动监测，解决了难以广覆盖、长时间有效监测的问题，并确保了数据传输的稳定性、安全性。浮动检测终端的传感器包含了我国地表水环境监测主要指标，有利于建设水环境评价系统，且解决了人工化学检测某些指标对水质二次污染的问题，使用的E22-900T30SLoRa通讯模块可实现多级自动中继组网，极大程度上降低了人力物力成本，监测终端的数据可视化系统和预警系统，提高了水质检测的信息化、智能化水平。
附图说明
图1为基于LoRa的河流水质监测系统的系统结构图；
图2为系统模块图；
图3为浮动检测终端整体装置图；
图4为太阳能光伏罩内部装置图；
图5为供电线路连接图；
图6为E22-900T30S与主控芯片连接电路图；
图中：浮动检测终端1、LoRa网关2、远端服务器3、监测终端4、主控模块5、LoRa通信模块6、GPS模块7、电源模块8、传感器模块9、固定锚10、浮板11、太阳能光伏罩12、光伏控制器13、蓄电池14、空心伸缩杆15、密封壳体16、pH传感器17、COD传感器18、溶解氧传感器19、氨氮传感器20、温度传感器21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施进行详细说明。
如图1、2、3、4、5所示，基于LoRa的河流水质监测系统，系统包括浮动检测终端1、LoRa网关2、远端服务器3、监测终端4，所述浮动检测终端1包括主控模块5、LoRa通信模块6、GPS模块7、电源模块8、传感器模块9、固定锚10和浮板11，所述电源模块8包括太阳能光伏罩12、光伏控制器13和蓄电池14，所述太阳能光伏罩12放置于浮板11上形成密闭空间并具备IP67的防护等级，对内部设备具有一定的防护作用，所述太阳能光伏罩12的额定输出电压为18V由光伏控制器13转换为蓄电池14和主控模块5所需12V电压，所述主控模块5、LoRa通信模块6、GPS模块7、光伏控制器13和蓄电池14分别设置于浮板11上，分布于太阳能光伏罩12形成的密闭空间内，所述传感器模块9包括空心伸缩杆15、密封壳体16、pH传感器17、COD传感器18、溶解氧传感器19、氨氮传感器20和温度传感器21，所述空心伸缩杆15固定于浮板11的中心位置，空心伸缩杆15的正下方设有密封壳体16，密封壳体16内横向设置有五个传感器，包括pH传感器17、COD传感器18、溶解氧传感器19、氨氮传感器20和温度传感器21，传感器探针裸露于待测水体中，传感器连接线通过空心伸缩杆15与主控模块5相连接，所述LoRa通信模块6、GPS模块7、电源模块8和传感器模块9依次与主控模块5连接，采集到水质数据和位置信息后将通过LoRa网关2传输至远端服务器3，所述固定锚10呈水平对称分布设置于浮板11的左右两侧，在监测系统工作时，将固定锚10置于待测位置水体中，用以固定检测系统位置，所述浮动检测终端1在监测流域中将设置多个监测点形成监测网络，所述远端服务器3负责所有前段设备和数据的统一管理，所述监测终端4在接收远端服务器3的数据后进行数据可视化展示、各监测指标阈值监测预警、网关配置和指令下达。
传感器模块9中空心伸缩杆15为防水、防腐蚀材料制成，传感器模块9可测量我国地表水环境主要污染指标，包括pH值、COD含量、溶解氧含量、氨氮含量、水温，根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅰ～Ⅲ类水标准，pH值安全限值范围在6～9之间，COD安全限值在15～20mg/L之间，溶解氧安全限值在5～7.5mg/L之间，氨氮安全限值在0.15～1.0mg/L之间，水温周平均变化最大升温≤1，周平均最大降温≤2，当某项指标超出安全限值外时监测终端4将会发出报警信息。
LoRa通信模块9采用E22-900T30S无线串口模块，E22-900T30S无线串口模块可实现多级中继组网且只需供电，无需另设控制模块，通过改变M1和M0引脚的配合模式可以进行传输模式、WOR模式、配置模式和深度休眠模式的切换，便于野外环境下设备运行的自动化管理。
主控模块5中控制主板选用STM32F103RCT6微处理器芯片，LoRa通信模块6中E22-900T30S无线串口模块RXD引脚连接STM32F103RCT6芯片的PB10串口TX引脚，模块中TXD引脚连接芯片PB11串口RX引脚，作为浮动检测终端1数据接收口，E22-900T30S无线串口模块的M1、M0和AUX引脚分别连接芯片的PA0、PA1和PB0引脚，用以设置模块工作模式及指示模块工作状态。
监测步骤为：选定河流中合适的监测网点后，放置各监测点位的浮动检测终端1，在选定位置放下固定锚10，调节空心伸缩杆15使传感器模块9探针到达待测水体位置，根据实际需求进行中继组网设置好LoRa网关2，监测终端4发出检测指令，浮动检测终端1在接收信号后主控模块5发出唤醒信号，LoRa通信模块9进入传输模式，浮动检测终端1的主控模块5进行系统自检，确认系统正常后读取传感器模块6的水质信息和GPS模块8的位置信息，采集的数据通过LoRa通信模块9和LoRa网关2传至远端服务器3，数据传输完成后检测终端将切断电源进入休眠模式，等待下个采样周期的唤醒信号，监测终端4接收到远端服务器3处理过的数据后，进行数据可视化展示和阈值监测，若某项水质指标超过预设阈值，在发出报警信号的同时唤醒浮动检测终端1进行二次检测上报数据，再次发出报警信息提醒相关人员采取措施。
Claims (6)
1.一种基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：包括浮动检测终端(1)、LoRa网关(2)、远端服务器(3)、监测终端(4)，所述浮动检测终端(1)包括主控模块(5)、LoRa通信模块(6)、GPS模块(7)、电源模块(8)、传感器模块(9)、固定锚(10)和浮板(11)，所述电源模块(8)包括太阳能光伏罩(12)、光伏控制器(13)和蓄电池(14)，所述太阳能光伏罩(12)放置于浮板(11)上形成密闭空间并具备IP67的防护等级，对内部设备具有一定的防护作用，所述太阳能光伏罩(12)的额定输出电压为18V由光伏控制器(13)转换为蓄电池(14)和主控模块(5)所需12V电压，所述主控模块(5)、LoRa通信模块(6)、GPS模块(7)、光伏控制器(13)和蓄电池(14)分别设置于浮板(11)上，分布于太阳能光伏罩(12)形成的密闭空间内，所述传感器模块(9)包括空心伸缩杆(15)、密封壳体(16)、pH传感器(17)、COD传感器(18)、溶解氧传感器(19)、氨氮传感器(20)和温度传感器(21)，所述空心伸缩杆(15)固定于浮板(11)的中心位置，空心伸缩杆(15)的正下方设有密封壳体(16)，密封壳体(16)内横向设置有五个传感器，包括pH传感器(17)、COD传感器(18)、溶解氧传感器(19)、氨氮传感器(20)和温度传感器(21)，传感器探针裸露于待测水体中，传感器连接线通过空心伸缩杆(15)与主控模块(5)相连接，所述LoRa通信模块(6)、GPS模块(7)、电源模块(8)和传感器模块(9)依次与主控模块(5)连接，采集到水质数据和位置信息后将通过LoRa网关(2)传输至远端服务器(3)，所述固定锚(10)呈水平对称分布设置于浮板(11)的左右两侧，在监测系统工作时，将固定锚(10)置于待测位置水体中，用以固定检测系统位置，所述浮动检测终端(1)在待监测流域中将设置多个监测点形成监测网络，所述远端服务器(3)负责所有前段设备和数据的统一管理，所述监测终端(4)在接收远端服务器(3)的数据后进行数据可视化展示、各监测指标阈值监测预警、网关配置和指令下达。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：所述远端服务器(3)主要负责设备接入、数据包接收、数据包校验、数据存储、数据分类整理和数据处理，在主控模块(5)向传感器模块(9)传递唤醒信号后，远端服务器(3)向主控模块(5)发送数据读取指令，远端服务器(3)首先对读取的数据包进行格式验证和初步处理，保留信息的有效位，删除冗余信息，然后创建文件分类存储数据，保证水质检测数据无覆盖无丢失，随后将处理后的水质检测数据发送至监测终端(4)。
3.根据权利要求2所述的基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：所述传感器模块(9)中空心伸缩杆(15)为防水、防腐蚀材料制成，所述传感器模块(9)可测量我国地表水环境主要污染指标，包括pH值、COD含量、溶解氧含量、氨氮含量、水温，根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅰ～Ⅲ类水标准，pH值安全限值范围在6～9之间，COD安全限值在15～20mg/L之间，溶解氧安全限值在5～7.5mg/L之间，氨氮安全限值在0.15～1.0mg/L之间，水温周平均变化最大升温≤1，周平均最大降温≤2，当某项指标超出安全限值外时监测终端(4)将会发出报警信息。
4.根据权利要求3所述的基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：所述LoRa通信模块(6)采用E22-900T30S无线串口模块，E22-900T30S无线串口模块可实现多级中继组网且只需供电，无需另设控制模块，通过改变M1和M0引脚的配合模式可以进行传输模式、WOR模式、配置模式和深度休眠模式的切换，便于野外环境下设备运行的自动化管理。
5.根据权利要求3所述的基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：所述主控模块(5)中控制主板选用STM32F103RCT6微处理器芯片，LoRa通信模块(6)中E22-900T30S无线串口模块RXD引脚连接STM32F103RCT6芯片的PB10串口TX引脚，模块中TXD引脚连接芯片PB11串口RX引脚，作为浮动检测终端(1)数据接收口，E22-900T30S无线串口模块的M1、M0和AUX引脚分别连接芯片的PA0、PA1和PB0引脚，用以设置模块工作模式及指示模块工作状态。
6.基于权利要求1所述基于LoRa的河流水质监测系统，其特征在于：包括以下步骤：
选定河流中合适的监测网点后，放置各监测点位的浮动检测终端(1)，在选定位置放下固定锚(10)，调节空心伸缩杆(15)使传感器模块(9)探针到达待测水体位置，根据实际需求进行中继组网设置好LoRa网关(2)，监测终端(4)发出检测指令，浮动检测终端(1)在接收信号后主控模块(5)发出唤醒信号，LoRa通信模块(6)进入传输模式，浮动检测终端(1)的主控模块(5)进行系统自检，确认系统正常后读取传感器模块(9)的水质信息和GPS模块(8)的位置信息，采集的数据通过LoRa通信模块(6)和LoRa网关(2)传至远端服务器(3)，数据传输完成后检测终端将切断电源进入休眠模式，等待下个采样周期的唤醒信号，监测终端(4)接收到远端服务器(3)处理过的数据后，进行数据可视化展示和阈值监测，若某项水质指标超过预设阈值，在发出报警信号的同时唤醒浮动检测终端(1)进行二次检测上报数据，再次发出报警信息提醒相关人员采取措施。
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2020
- 2020-06-05 CN CN202010502948.2A patent/CN111638310A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200908 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |