海洋环境的LoRa和GPRS远程监测系统设计

吉首大学学报(自然科学版)

)JournalofJishouUniversitNaturalScienceEditiony(

Vol．４０　No．１　　

Jan．２０１９　　

()文章编号:１００７２９８５２０１９０１００３４０５

海洋环境的LoRa和GPRS远程监测系统设计

周东蕴,王好贤,周志权

()哈尔滨工业大学信息与电气工程学院,山东威海２６４２０９

∗

提出了一种实用的海洋环境远程监测系统．该系统采用轻量化、低功耗的多参数传感器采集数据,通过L　　摘　要:oRa和G设计了基于S实现监测节点与互联网之间的数据交换．在服务器端RPS技术进行数据传输．TM３２单片机的联合网关,构建了数据管理平台,用于完成对采集数据的接收、显示及存储．实验结果表明,该系统可实现对目标海洋区域的智能化和长期性远程监测．

关键词:海洋环境远程监测;数据管理平台LoRa技术;GPRS技术;STM３２单片机;中图分类号:TP２７４＋．２　　　　　　　文献标志码:A

:/DOI１０．１３４３８．cnki．dzk．２０１９．０１．００９jj

传统的监测手段为采集海水样本后进行实验分析,这种方法可以准确地测量海水的各项参数,但无法实时

[]观测海水质量．从应用监测领域、网络体系结XuG等２研究了无线传感器网络在海洋环境监测中的应用,

１]

,海洋环境破坏主要体现为水质生物状态参数和物理化学参数的变化[因此海洋环境监测尤为重要．

[]

构、普通监测节点设计、参数监测、传感器技术和无线通信技术等方面作了详细介绍．MiuelDuarte等３g

利用具有传感器和无线通信功能的无人船群体组建了海上节点的监测网络．该方案组网灵活,但成本高,并设置高性能汇聚节点控制网络,同时在汇聚节点处集成了３Bee技术组建海上无线传感器网络节点,G通信模块,从而实现传感器网络、移动网络、互联网之间的数据交换．以上方案在组建海上监测传感器网络时多采用以Z但海洋监测区域通常面积很大,因此需要在网络内部署大量中iBee为代表的近距离组网,g继节点,这使得系统过于复杂,增加了系统成本和能耗开销．

]７

,是物联网中一项新兴的低功耗广域网(技术[其综合考虑传LowＧPowerWideＧAreaNetwork,LPWAN)]４６

,不易组建大规模监测网络．研究者们设计了基于多个物联网的海洋环境监测系统[这些系统运用ZiＧg

海洋环境监测系统采集的大多是一些标量数据,数据量较小,对传输速率的要求相对较低．LoRa技术

输距离与系统功耗,具有功耗低、距离传输远的特点．针对实际中海洋环境的特点,笔者认为对其进行监测应采用功耗低、可靠性高、传输距离远的无线通信组网技术．利用L可oRa技术作为海上节点的传输方式,以实现以少量的监测节点监测较大的目标范围．能够稳定、连续地在线,可有效解GPRS网络覆盖范围广,决传感器网络的远程交互问题．

１　海洋环境监测系统设计

１．１系统总体架构

本系统采用高精度的多参数水质传感器作为海上监测节点的数据采集单元,用于监测海水的温度、盐

∗

收稿日期:２０１８０５０３

;基金项目:威海市科技发展计划项目(哈尔滨工业大学研究生教育教学改革研究项目(２０１５DXGJZD００３)JGYJＧ)２０１７０５０

,作者简介:周东蕴(男,河北廊坊人,哈尔滨工业大学信息与电气工程学院硕士研究生,主要从事无线通信系１９９２—)统设计研究．

第１期　　　　　　　　　　　　　周东蕴,等:海洋环境的LoRa和GPRS远程监测系统设计３５

度、采用LH值和溶氧量;oRa技术作为监测节点的无线通信技术．LoRa是美国Semtech公司开发和推p;广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,其工作在全球免费频段,如４传输距３３,８６８,９１５MHz可以实现对海洋环境的长期和远程监测．将采集的数据传输到不受距LoRa技术组建海上监测网络节点,

离限制的服务器端数据管理中心需要借助移动通信

以实现海LoRa模块和GPRS模块的联合网关节点,

上传感器节点与互联网之间的数据交换．数据管理平台软件用于控制监测节点的数据采集工作,以及海洋环境数据的接收和处理工作．远端服务器采用构建成本低,运行稳定,允许多用户接入的阿里云服务器．海洋环境监测系统的结构如图１所示．

表１　传感器参数指标Table１　SensorParameters

温度/℃

(􀅰L－１)盐度/g传感器参数　　　

量程０~８００~６００~１４０~２０

精度５％FS０．０２０．０１０．１

离能达到２k接收模式的工作电流仅为１采用电池供电,理论上待机时间可达１使用m以上;０mA;０年．

基站,因此设计了以S整合了TM３２作为控制核心,

图１　监测系统的结构

Fi．１　BlockDiaramoftheMonitorinstemgggSy

１．２海上监测节点设计

　　海上监测节点集成了多参数海水水质传感器和多参数传感器采用的是上海LoRa无线传输模块．

景飞环保科技公司生产的四合一水质传感器,包括温度、盐度、它利用H值和溶氧量４种参数．p

工作电压为１参数指标RS４８５进行信号输出,２V,见表１．该传感器采用ModbusRTU传输协议来读

取温度传感器参数．主机发送请求数据的帧格式见式采用循环冗余校验(CRC)．

H值p

(􀅰L－１)溶氧量/mg

表２．其中:地址为从设备到传感器单元的地址,默认为０功能码０可以是x０１;x０４表示读取寄存器的数据,单个寄存器或者多个连续的寄存器,这里读取单个温度寄存器的数据,寄存器地址为０差错校验方x０００４;

表２　主机发送请求数据的帧格式Table２　DataFrameFormatofHostReuestq

地址０x０１

功能码起始寄存器地址高位起始寄存器地址低位寄存器数最高位寄存器数最低位CRC高位CRC低位０x０４

０x００

０x０４

０x００

０x０１

０x７０

０x０B

当从设备发送的功能码与主机请求的功能码一致时,表明已正确响　　传感器应答数据帧的格式见表３．

应主机的操作,该应答帧返回的数据为０此时传感器测量到的温度为２x０９C４,５℃．

表３　传感器应答数据帧格式

数据高位０x０９

Table３　DataFrameFormatofSensorResonsep

０x０１地址

功能码０x０４

字节数０x０２

数据低位０xC４

CRC高位CRC低位

０xBE０xF３

该模块是S　　无线传输单元由基于SX１２７８射频芯片的LoRa数传模块组成,EMTECH公司生产的低

８]

,功耗半双工远距离收发器[采用L具有传输距离远、接收灵敏度高的优点．表４oRa扩频调制解调技术,

给出了L蓝牙、oRa与其他物联网无线通信技术(ZiBee和WiFi的指标)．g

表４　物联网无线通信技术的指标

Table４　IoTWirelessCommunicationTechnoloomarisongyCp

)蓝牙(CC２５４１通信技术　　

接收灵敏度/dBm

－９４－７４

最大传输速率/kbs传输距离/kmp

２０００３０００２５０３７．５

０．０１５０．１５０．１３

RX电流/mA

１７．９５９２４

休眠模式电流/Aμ

１

４１

()WiFiCC３２００()ZiBeeCC２５３０g

()LoRaSX１２７８

－１００－１４８

传输距离、功耗方面具有明显优势,适用于监测范围广、以　　从表４可以看出,LoRa技术在通信可靠性、

电池供电的海上监测系统进行数据传输．此外,SX１２７８还支持标准的GFSK,FSK,OOK及GMSK调制

９．９０．２

３６

吉首大学学报(自然科学版)

第４０卷

,搭载天线的增益为３．最大传输距离为８k可有效覆盖海上目标监测区域．RS４８５２种接口,０dBim,

[]

基于L由拓扑中的网关来转发终端信息．终oRa协议的设备在组建网络时通常采用星型拓扑结构９,端则通过单跳与网关通信,单个L采用LoRa网关理论上可接入６２５００个终端节点．oRa协议部署的海上传感器网络具有结构简单,可扩展性强的特点．

模式,因此能够与现有的MＧBUS和IEEE８０２．１５．４g等系统或标准兼容．

,,该无线模块工作频段为４发射功率为１W,传输速率最大为１具有R１０~４４１MHz９．２kbsS２３２和p

１．３联合网关设计

笔者利用STM３２串口与LoRa模块和GPRS

模块建立通信连接,围绕单片机设计了电源模块电联RS２３２接口电路和USART转RS４８５接口电路．合网关硬件结构如图２所示．

路、存储器模块电路、SIM卡模块电路、USART转

图２　联合网关硬件结构

Fi．２　HardwareBlockDiaramofCombinedGatewaggy

[０]

/拥有５此外,它还采用MAART接口进行串口通信,１个通用IO口１．X３４８５实现单片机串口与RS４８５

之间的转换,通过单片机引脚的高低电平控制RS４８５的接收和发送．

过３个１经３个U６位通用定时器和１个高级定时器捕获PWM输入信号和输出PWM脉宽调制信号,SＧ工作频率　　GPRS模块采用SIM８００A模块,

,为９发射功率分别为２,传００,１８００MHz１W,

微控制器主要由３２位、CortexＧM３内核的

STM３２F１０３RBT６单片机构成,其工作电压为

包含２个用于采集模拟量的１通３．３V,２bitADC,

表５　创建TCP连接的AT指令集

Table５　ATCommandSetsforCreatinCPConnectiongTAT指令

AT＋CPIN?AT＋CSQAT＋CGREG?AT＋CGATT?

检查SIM卡状态

功能描述　　　　　

,/输速率可达８模块内置T５．６kbsCPUDPp

/协议,支持G该模块自带串SMGPRS通信．口．开发设计时,MCU通过串口向SIM８００A发送相应的AT指令,模块在获取指令后,自动

[１１２]

集见表５．采用分组交换技术,其数GPRS１

检查网络信号强度检查GPRS网络注册状态检查GPRS附着状态启动任务

设置链路模式为透传模式激活移动场景,建立无线链路获得本地IP地址

完成GPRS和Internet的连接并传输数据．GPRS模块创建TCP连接时所需的AT指令据传输单元采用CMN从而避免ET接入方式,了申请固定I只需使用SP的问题,IM卡就能,方便地接入I实现低数据量信息的nternet传输．

AT＋CIPMODE＝１

AT＋CSTT＝“CMNET”AT＋CIICRAT＋CIFSR

,AT＋CIPSTART＝“TCP”建立TCP链路“,“服务器I服务器端口”P”AT＋CIPSEND

发送数据

２　系统实现

２．１网关节点的软件设计

网关节点用于将接收的L并解析来自服务器端的指令,进而oRa协议传感器数据发送到远端服务器,控制监测节点的采集工作．软件设计主要分为４个部分,即单片机初始化子程序、串口GPRS功能子程序、功能子程序和存储器功能子程序．

网关节点的主程序流程如图３所示．读取ESTM３２单片机上电初始化后,EPROM中默认的公网IP数据,包括I然后开启G与服务器建立T连接成功后,进入主循P地址和监听端口号;PRS服务,CP连接;环,检测各串口缓冲区的数据,调用各自的接收处理函数．关于获取海洋环境传GPRS将服务器端发送的、感器信息的指令数据发送到S对其进行判断后,单片机将关于获取环境参数的十六进制指令TM３２串口．通过L若中途掉电或者服务器异常关闭,如果需要更oRa模块进行发送．GPRS会自动重新创建连接请求．新服务器端的信息,可通过D更新后的数据会保存到E系统重新TU配置工具对其进行配置,EPROM中,上电后,可自动连接．

第１期　　　　　　　　　　　　　周东蕴,等:海洋环境的LoRa和GPRS远程监测系统设计３７

图３　网关主程序流程

Fi．３　DiaramofMainGatewaroramggyPg

２．２服务器端数据管理平台软件设计

该开发环境带有QtCreator开发环境进行软件设计．

一个代码编辑器,集成了包括设计、编码、测试、部署和软件维护在内的所有环节,利用其开发的产品支持相比于MSQL和SQLServer等数据库开发软件,y

不需要安装和SQlite是无须独立运行的数据库引擎,配置,而且小巧灵活．设置了TCP和UDP２种服务器模式．通过不断监听端口来获取G一旦连PRS连接,

图４　数据管理软件结构

Fi．４　BlockDiaramofDataManaementSoftwareggg

整个数据管理平台的软件结构如图４所示．采用

跨平台运行,兼容性好．数据库功能采用SQlite实现．

接成功,则建立s将数据的接收、显示和存ocket通信．持功能扩展．

储独立成模块,使软件具有良好的数据管理功能并支

本系统数据管理平台的具体功能如下:实时查询各海洋环境的参数数据,并进行接收显示;每隔一定,时间将接收的一组数据(温度、盐度、连同接收时间记录在表格里;以２H值和溶氧量)４h为单位将数据p表中的各参数数据存入数据库;通过设置查询时间范围来获取时间段内的数据,并显示给用户．

３　系统测试

点自动连接到服务器．界面将传感器参数的请求指令封装成控件进行发送,各控件的槽函数调用socket接收的数据并进行处理,再将处理后的数据发送到相应位置进行显示．主控制界面可打印客户端的接收和发送信息,通过统计计数可计算丢包率．

的采集和传输．受实验条件限制,选择在实验室内对海水的各项参数进行长期监测,并将获取的实验数据存储到数据库中．设置查询的日期范围后,查询结果如图６所示．测试结果表明,该系统可应用于海洋环境的远程监测．

笔者在室外海域对该系统进行了通信距离和可靠性测试,验证了在２km通信范围内系统可实现数据

数据管理平台软件在阿里云服务器上运行,运行界面如图５所示．系统上电后,打开监听端口,网关节

３８

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图５　数据管理平台运行界面

Fi．５　RunninislafDataManaementPlatformggDpyog

图６　数据库查询结果显示

Fi．６　QueresultDislafDatabasegyRpyo

４　结语

和联合网关节点;以阿里云服务器为网络服务平台,开发了数据管理平台软件,给出了海洋环境长期、远程监测的实现方案．本研究对海洋资源的开发利用和灾害预警有一定的应用价值．参考文献:

[]陈中华．基于物联网的海洋环境监测系统研究与应用[上海:上海海洋大学,１D]．２０１２．[]X:２UG,SHENW,WANGX．AlicationsofWirelessSensorNetworksinMarineEnvironmentMonitorinASurveppgy

以S多参数水质传感器、主控制器和G设计了海上监测节点X１２７８射频芯片、PRS模块为硬件基础,

[],():J．Sensor２０１４,１４９１６９３２１６９５４．[]３DUARTEMIGUEL,GOMESJORGE,COSTAVASCO,etal．AlicationofSwarmRoboticsSstemstoMarineEnviＧppy[:ronmentalMonitorinC]．ShanhaiIEEE,２０１６:１８．gg[]何世钧,]():陈中华,张　雨,等．基于物联网的海洋环境监测系统的研究[传感器与微系统,４J．２０１１,３０３１３１５．[]陈作聪．]():海洋环境实时物联网监控系统设计[烟台大学学报,５J．２０１５,２８４３０８３１２．

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:AbstractApracticalschemeofremotemarineenvironmentalmonitorinstemisproosed．Thesstemgsypy

,adotslihtweihtandlowpowerconsumtionmultiＧarametersensortocollectdataandaliesLoRapggpppp

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,,ZHOUDonunWANGHaoxianZHOUZhiuangyq

,andGPRStechnolototransmitdata．MeanwhileacombinedgatewaasedonSTM３２microcontrollergyyb

,isdesinedtoexchanedatabetweenmonitorinodeandinternetandthedatamanaementlatformingggngptheschemecanrealizeintellientandlonＧraneremotemonitorinfthetaretoceanarea．ggggog

:;;;KeordsLoRatechnoloGPRStechnoloSTM３２sinlechiicrocomuterremotemarineenviＧgygygpmpyw;ronmentalmonitorindatamanaementplatformgg

,thesstemisconstructedtocollectdislandstoredataonserverside．Exerimentresultsshowthatypyap

(责任编辑　雷可君)