CN210863704U - 一种河流水生态无线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种河流水生态无线监测系统，包括主控服务器，用于向所述LoRa网关输出采集命令和接收所述LoRa网关采集的数据；LoRa网关连接所述主控服务器，所述LoRa网关用于接收所述采集命令并与采集模块进行连接，接收采集模块采集的信息，并将信息发送至主控服务器；采集模块分布在各个采集监测点，包括电压传感器、PH值传感器、水位传感器及第一LoRa通信模块，所述各个传感器采集水质参数通过第一LoRa通信模块发送给所述LoRa网关，本实用新型利用LoRa技术融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，可实现远距离、低功耗、低成本、高抗干扰能力的无线通信，可以实现对河流水生态进行长期、连续的检测，远程监控警报。

Description

一种河流水生态无线监测系统

技术领域

本实用新型涉及水质监测技术领域，具体涉及一种河流水生态无线监测系统。

背景技术

随着社会经济的发展，我国的水质问题日益严重。目前中小型河流依然出现较为严重的水质问题，例如污水对河流的污染、人们的灭绝式的非法捕捞-电鱼以及洪水导致的河流水位上涨等问题。在线水质监测可实时获取当前水质情况，为水环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据，是防止水污染的重要方式。在线水质监测系统通常分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层负责水质信息的采集；网络层对整个系统进行无线连接，将采集数据传输到服务器；应用层将服务器处理的数据直观地展现给用户。现存的在线水质监测系统在网络层通常采用WiFi、ZigBee等无线通信方式。但是，WiFi对采集设备终端的功率具有很高的要求，而ZigBee对于远距离传输则有很大的局限性。不能做到对河流水生态进行长期、连续的检测，无法实现远程监控警报。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种河流水生态无线监测系统，利用LoRa技术融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，可实现远距离、低功耗、低成本、高抗干扰能力的无线通信，可以实现对河流水生态进行长期、连续的检测，远程监控警报。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种河流水生态无线监测系统，包括主控服务器、多个LoRa网关和多个采集模块，其中，

主控服务器，用于向所述LoRa网关输出采集命令和接收所述LoRa网关采集的数据；

LoRa网关，所述LoRa网关连接所述主控服务器，所述LoRa网关用于接收所述采集命令并与采集模块进行连接，接收采集模块采集的信息，并将信息发送至主控服务器；

采集模块，分布在各个采集监测点，包括电压传感器、PH值传感器、水位传感器、第一处理器及第一LoRa通信模块，所述各个传感器采集水质参数并通过内部电路传输至第一处理器，所述第一处理器与第一LoRa通信模块相连，用于将数据进行处理后通过第一LoRa通信模块发送给所述LoRa网关。

进一步的，所述LoRa网关中包括第二处理器、第二LoRa通信模块、GPS模块以及4G通信模块，所述第二LoRa通信模块用于与所述第一LoRa通信模块进行无线通讯，所述第二处理器分别与第二LoRa通信模块、GPS模块相连，用于获取第二LoRa通信模块接受到的水质数据及GPS模块获取的采集点地理位置信息并进行数据处理，所述第二处理器与所述4G通信模块相连接，用于将处理后的数据进行通过4G通信模块发送至主控服务器。

每个所述采集模块直接连接所述LoRa网关或者通过相邻的所述采集模块连接至所述LoRa网关，多个所述采集模块和所述LoRa网关构成星型网络。

进一步的，所述LoRa网关和所述采集模块分别通过链路查询机制和心跳查询机制判断所述LoRa网关和所述采集模块之间的连接是否正常，并在连接异常时输出报警信号。

优选的，所述链路查询机制由所述LoRa网关发送链路查询命令给所述采集模块，所述采集模块返回信号强度和信噪比的数值并发送给LoRa网关。

优选的，所述采集模块包括：第一心跳查询单元，所述第一心跳查询单元与所述第一处理器相连接，所述第一心跳查询单元用于以一预定时间为间隔向所述LoRa网关发送心跳信号；LoRa网关包括第二心跳查询单元，所述第二心跳查询单元与所述第二处理器相连接，所述第二心跳查询单元用于接收心跳信号，并在未接收到所述心跳信号时判断并在未接收到所述心跳信号时，判断所述LoRa网关和所述采集模块之间的连接异常，并在连接异常时输出所述报警信号。

优选的，所述采集模块上设置有警报指示装置，所述警报指示装置与第一处理器相连接，所述警报指示装置包括蜂鸣器和LED指示灯。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的采集模块通过LoRa技术将水质参数发送至LoRa网关，再由LoRa网关进行解析处理并由4G通信模块发送至主控服务器。由于LoRa网络易于建设和部署，同时传输数据的距离远、功耗低，本发明可在相同数量采集设备终端的条件下扩大系统的覆盖范围，延长采集设备终端的使用寿命，大大节约维护成本，可以进行在线水质监测。

2、通过添加链路查询机制和心跳机制，确保用于可以通过LoRa实时掌握每个采集模块的工作状态，确保及时发现故障模块。

附图说明

图1为本实用新型的河流水生态无线监测系统结构流程图。

图中：1-主控服务器，2-LoRa网关，3-采集模块，31-电压传感器，32-PH值传感器，33-水位传感器，34-第一处理器，35-第一LoRa通信模块，36-第一心跳查询单元，37-警报指示装置，38-蜂鸣器，39-LED指示灯，21-第二处理器，22-第二LoRa通信模块，23-GPS模块，24-4G通信模块，25-第二心跳查询单元。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照附图1所示，本实用新型实施例公开了一种河流水生态无线监测系统，包括主控服务器1、多个LoRa网关2和多个采集模块3，其中，

主控服务器1，用于向所述LoRa网关2输出采集命令和接收所述LoRa网关2采集的数据；

LoRa网关2，所述LoRa网关2连接所述主控服务器1，所述LoRa网关2用于接收所述采集命令并与采集模块3进行连接，接收采集模块3采集的信息，并将信息发送至主控服务器1；

采集模块3，分布在各个采集监测点，包括电压传感器31、PH值传感器32、水位传感器33、第一处理器34及第一LoRa通信模块35，所述各个传感器采集水质参数并通过内部电路传输至第一处理器34，所述第一处理器34与第一LoRa通信模块35相连，用于将数据进行处理后通过第一LoRa通信模块35发送给所述LoRa网关2。

通过设置上述系统，采集模块3分布在各个采集监测点，通过采集模块3上的电压传感器31、PH值传感器32和水位传感器33可以分别采集到河流监测点的水质电压值、水质酸碱度和水位值，并采集模块3内部放大电路放大转换传输到第一处理器34中，第一处理器34对采集的数据进行封装处理由第一LoRa通信模块35利用LoRa链路与LoRa网关2进行通信传输，LoRa网关2可以来自采集模块3传输的采集数据信息，并实时在线发送给主控服务器1，同时LoRa网关2也可以接收来自主控服务器1发出的采集命令，对所连接采集模块3进行通信以获得采集数据信息。

进一步的，所述LoRa网关2分布在各个采集监测点附近，包括第二处理器21、第二LoRa通信模块22、GPS模块23以及4G通信模块24，所述第二LoRa通信模块22用于与所述第一LoRa通信模块35进行无线通讯，所述第二处理器21分别与第二LoRa通信模块22、GPS模块23相连，用于获取第二LoRa通信模块22接受到的水质数据及GPS模块23获取的采集点地理位置信息并进行数据处理，所述第二处理器21与所述4G通信模块24相连接，用于将处理后的数据进行通过4G通信模块24发送至主控服务器1。

在本实施例中，LoRa网关2设置多个，分布在不同的采集监测点附近，LoRa网关2上的第二LoRa通信模块22可以通过与采集模块3中的第一LoRa通信模块35利用LoRa链路进行数据通信，第二LoRa通信模块22在获取采集模块3采集的水质数据后，同步通过GPS模块23获得监测点的地理位置，对采集到的数据进行数据整合封装，并通过4G通信模块24传输至主控服务器1，主控服务器1可实时分析、存储、显示、回放来自LoRa网关2的信息。

在本实施例中，一个LoRa网关2可以接收来自附近有效范围内多个采集模块3的水质采集数据，使得LoRa网关2连接多个采集模块3构成星型网络。由于LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传输网络特性的三个主要参数，LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。LoRa无线组网技术具有星形网络结构、通讯距离远(最大可达10km以上)、抗干扰能力强、组网灵活等优点。

另外，相邻两个LoRa网关2之间也可以通过第二LoRa通信模块22进行数据传输，即当某一LoRa网关2上的4G通信模块24发生故障，无法向主控服务器1传输采集数据时，该LoRa网关2可以通过与相邻的LoRa网关2利用LoRa链路进行数据通信，将该LoRa网关2接收到的采集模块3传输的采集数据发送至相邻LoRa网关2，由相邻LoRa网关2通过4G通信模块24向主控服务器1进行数据传输。

所述LoRa网关2和所述采集模块3分别通过链路查询机制和心跳查询机制判断所述LoRa网关2和所述采集模块3之间的连接是否正常，并在连接异常时输出报警信号。这样的设置是

为了防止传统温湿度采集模块3和网关之间会出现长时间无有效数据传输，本发明的采集模块3特别导入心跳机制，以确保采集模块3不会因长时间失联，致使服务器或控制中心无法判断采集模块3是否故障，导致无法及时反馈异常情况的发生。此心跳机制具体表现为：采集模块3会在上电五秒后进入通讯透传模式发送一个心跳给LoRa网关2，之后每隔300±30秒会再次发送心跳。

因为LoRa星形网络无线传输有低功耗远距离的特性，LoRa网关2和采集模块3间的有效传输距离是保证无线传输稳定性的关键。为此，本实施例的模块在LoRa网关2中加入了链路查询功能。用户可以通过此机制接收信号强度指示RSSI和信噪比SNR。本系统的射频模式为，不同射频模式对应不同的接收灵敏度和有效通信速率，RFM1～RFM5接收灵敏度逐渐增大，RFM5模式下，传输距离最远，速率最低。通过链路查询功能和心跳查询功能模块，确保用于可以通过LoRa实时掌握每个温湿度采集模块3的工作状态，确保及时发现故障模块。

较佳的实施例中，上述链路查询机制由LoRa网关2发送链路查询命令给采集模块3，采集模块3返回信号强度和信噪比的数值并发送给LoRa网关2。

较佳的实施例中，采集模块3包括：第一心跳查询单元36，所述第一心跳查询单元36与所述第一处理器34相连接，所述第一心跳查询单元36用于以一预定时间为间隔向所述LoRa网关2发送心跳信号；LoRa网关2包括第二心跳查询单元25，所述第二心跳查询单元25与所述第二处理器21相连接，所述第二心跳查询单元25用于接收心跳信号，并在未接收到所述心跳信号时判断所述LoRa网关2和所述采集模块3之间的连接异常，并在连接异常时输出所述报警信号。

优选的，所述采集模块3上设置有警报指示装置37，所述警报指示装置37与第一处理器34相连接，所述警报指示装置37包括蜂鸣器38和LED指示灯39。当LoRa网关2上的第二心跳查询单元25在未接收到所述心跳信号时，判断所述LoRa网关2和所述采集模块3之间的连接异常，并在连接异常时输出所述报警信号，此时LoRa网关2将报警信号反馈给第二处理器21，第二处理器21通过第二LoRa通信模块22与第一LoRa通信模块35通信，将连接异常信息反馈给采集模块3上的第一处理器34上，第一处理器34控制警报指示装置37发出警报，具体通过蜂鸣器38发出报警声，并通过LED指示灯39进行闪烁，以提示进行维修。

以上所述的，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种河流水生态无线监测系统，包括主控服务器、多个LoRa网关和多个采集模块，其特征在于，

主控服务器，用于向所述LoRa网关输出采集命令和接收所述LoRa网关采集的数据；

LoRa网关，所述LoRa网关连接所述主控服务器，所述LoRa网关用于接收所述采集命令并与采集模块进行连接，接收采集模块采集的信息，并将信息发送至主控服务器；

采集模块，分布在各个采集监测点，包括电压传感器、PH值传感器、水位传感器、第一处理器及第一LoRa通信模块，所述各个传感器采集水质参数并通过内部电路传输至第一处理器，所述第一处理器与第一LoRa通信模块相连，用于将数据进行处理后通过第一LoRa通信模块发送给所述LoRa网关。

2.根据权利要求1所述的一种河流水生态无线监测系统，其特征在于：所述LoRa网关中包括第二处理器、第二LoRa通信模块、GPS模块以及4G通信模块，所述第二LoRa通信模块用于与所述第一LoRa通信模块进行无线通讯，所述第二处理器分别与第二LoRa通信模块、GPS模块相连，用于获取第二LoRa通信模块接受到的水质数据及GPS模块获取的采集点地理位置信息并进行数据处理，所述第二处理器与所述4G通信模块相连接，用于将处理后的数据进行通过4G通信模块发送至主控服务器。

3.根据权利要求1所述的一种河流水生态无线监测系统，其特征在于：每个所述采集模块直接连接所述LoRa网关或者通过相邻的所述采集模块连接至所述LoRa网关，多个所述采集模块和所述LoRa网关构成星型网络。

4.根据权利要求2所述的一种河流水生态无线监测系统，其特征在于：所述LoRa网关和所述采集模块分别通过链路查询机制和心跳查询机制判断所述LoRa网关和所述采集模块之间的连接是否正常，并在连接异常时输出报警信号。

5.根据权利要求4所述的一种河流水生态无线监测系统，其特征在于：所述链路查询机制由所述LoRa网关发送链路查询命令给所述采集模块，所述采集模块返回信号强度和信噪比的数值并发送给LoRa网关。

6.根据权利要求4所述的一种河流水生态无线监测系统，其特征在于：所述采集模块还包括：第一心跳查询单元，所述第一心跳查询单元与所述第一处理器相连接，所述第一心跳查询单元用于以一预定时间为间隔向所述LoRa网关发送心跳信号；LoRa网关包括第二心跳查询单元，所述第二心跳查询单元与所述第二处理器相连接，所述第二心跳查询单元用于接收心跳信号，并在未接收到所述心跳信号时判断并在未接收到所述心跳信号时，判断所述LoRa网关和所述采集模块之间的连接异常，并在连接异常时输出所述报警信号。

7.根据权利要求1所述的一种河流水生态无线监测系统，其特征在于：所述采集模块上设置有警报指示装置，所述警报指示装置与第一处理器相连接，所述警报指示装置包括蜂鸣器和LED指示灯。

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