一种基于LoRa的低功耗LPWAN实时空气质量监测系统外文翻译资料

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一种基于LoRa的低功耗LPWAN实时空气质量监测系统

摘要：本文提出了一种基于LoRa无线通信技术的低功率实时空气质量监控系统。此系统可以在监控区域大量布置以形成传感器网络。该系统集成了单芯片微控制器，多个空气污染传感器(),远程（LoRa）调制解调器，太阳能光伏电池部件和图形用户介面（GUI）。当通讯模块LoRa发送数据传给中央监控单元时，数据将被保存在云端。在室外区域的范围测试结果显示LoRa范围可以达到约2公里。TX功率仅约110mA，比其他已使用的无线技术更低。系统中设计了一个更易于使用的GUI。基于LoRa技术，GUI和太阳能光伏电池部分系统有几个先进的特征，比如低成本，长距离，高覆盖率，设备电池寿命长，易于操作。

1.介绍：近年来，空气污染是已经讨论过的环境问题之一。污染气体给人们健康带来极大威胁。大部分的发达国家已经改善了空气质量，热门地区的气象监测站或在城市外面，以防止空气质量的影响。大多数空气质量监测站使用原始的监测空气质量的方法，例如收集空气样品并在实验室中分析样品。这些方法可靠，但效率低下且昂贵。并且我们无法获得气体的实时浓度，颗粒物。近年来，我们有开始使用智能传感器和标准测量空气质量[1][2]。环境监控系统主要由三部分组成，例如监控节点，通过智能协调节点设备（PC /智能手机）和某种执行器[3][4]。环境空气监测处理器,监视诸如和的污染参数，[5]-[7]。一个基于空气污染检测技术[8]的GPRS传感器阵列。一个基于ZigBee普适城市网络[9]的室外空气污染监测系统。在室外区域进行的范围测试表明ZigBee无线电能够达到约270m。大部分的以上是空气污染和质量监测系统基于将污染物水平报告通过有线调制解调器，路由器或短距离无线网络的接入服务器点。并非针对低数据速率和广域M2M服务，例如遥感器。在本文中，我们提出了一种基于物联网的空气污染环境空气监测和数据分析系统以用来环境空气监测。我们将LPWAN和LoRa技术以实现这个目的。该系统不仅使用无线传感器网络收集空气质量数据，而且使用太阳能光伏电池实现能源自给自足。它具有一些先进的特征，例如易于操作，低成本，远距离，高覆盖率，高效自供电，设备电池寿命长，容量高，快速响应时间并且具有科学范围内可接受的准确性。

2.系统概述：本文介绍了基于物联网的实时空气质量监测和数据分析系统，使用LoRa发送气体浓度和PM浓度数据，以降低发射功率并延长距离。这系统由两部分组成，例如感应模块，数据处理和显示软件。

图1 硬件架构

感应模块由一个微控制器，气体和PM传感器(

)单元和基于无线的连接的LPWAN节点。32位STM微控制器作为传感模块的核心用来转换来自每个传感器的模拟读数返回对应的数字值。然后将数据发送到使用LoRa调制解调器的LPWAN节点。最后，基地连接到计算机的工作站从节点获取所有的数据。图1.显示了硬件的体系结构。数据处理和显示软件可显示所有GUI上的数据信息。数据处理与显示软件允许终端用户获取历史记录监测区域空气质量的变化

2.1传感器阵列：感应单元是一组称为传感器阵列的传感器组。我们已根据以下条件选择了传感器性能参数，例如准确性和低功耗。传感器也对目标气体非常敏感。使用的传感器的特征总结于表1。

表1 传感器特性

电气化学和传感器：我们使用四个电化学传感器通过传感器技术分别检测和。电化学传感器的优点和缺点在[4] [5]中。我们选择的电化学传感器具有四电极。相比较三电极电化学传感器，四电极电化学传感器可以获得更准确的测量结果。我们使用基于激光散射技术的激光颗粒物传感器用于监测。

2.2单片机：选择STM32103FVET6 MCU执行所有传感器节点上的进程。它是一个32位MCU修改后的哈佛架构。它具有广泛的工作电压（2.5V至5.5V）使其非常适合系统。它具有三个12位模数转换器可以满足分辨率的转换器（ADC）系统要求并且16个输入通道是绰绰有余。标准输出电压气体传感器可以通过ADC进行测量。PM浓度通过UART根据协议发送到MCU。MCU与LoRa串行通信使用UART模块。气体和PM浓度数据被发送到LoRa模块。MCU已使用C编程语言和Keil软件编程。

2.3无线通信(LoRa)：远程传感器节点与基站无线通信。LoRa调制解调器用于无线通信。LoRa调制解调器采用了前向纠错（FEC）的形式，允许由于干涉损坏的信息位恢复方法。码片速率等于编程的带宽（每秒码片/赫兹），并且芯片速率可以占用值为125、250或500 kHz。而且， LoRa链接的传播因数（SF）可以根据以下情况进行更改通信距离和所需的广播时间。

表2 无线技术特征

无线是数据传输的关键技术在传感器和智能设备/ PC之间。最近使用的技术，如蓝牙，ZigBee，3G / 4G，WiFi与LoRa在表2中进行了比较。提出的基于LoRa技术的系统有几个先进的特征，例如低成本，长距离，高覆盖范围广，设备电池寿命长。

2.4 GUI的设计：系统设计了一个复杂的，但易于使用的图形用户界面。GUI软件是开发用于LabVIEW（实验室虚拟仪器工程工作台）并且它能够执行各种功能。当软件启动时，用户必须选择接收器节点所在的USB端口有联系的。然后GUI将在后台通过发送一些命令测试USB和LoRa模块间通信。一次通信已建立时，GUI已准备好从遥感器模块接收数据。当端口接收数据时，数据将被处理和显示。图2。显示GUI的屏幕截图。用户可以点击“保存”按钮保存数据并单击“回放”按钮检索数据。这个“保存”和“回放”功能可以帮助我们评估空气质量趋势。

图2 设计的GUI

3. 实验结果：为了测试系统，我们将系统设备放置在在我们校园的另一个地方。图3显示了MCU与LoRa和传感器模块的集成。图4和图5和图6显示了我们得到的一组数据。

图3 LoRa和传感器模块的MCU集成电路

图4 SO2, O3 and NO2

图5 CO浓度

从上图可以看出空气质量的趋势。气体和PM浓度为0.000001ug / m3精度。SO2和O3浓度波动从0.01 ug / m3到0.08 ug / m3。NO2浓度从0.03 ug / m3波动到0.1ug / m3。CO和PM浓度波动很大。

图5 PM1,PM2.5和PM10浓度

4. 结论：建议使用LoRa技术，气体和PM传感器作为系统的低成本解决方案。LoRa技术使此系统与其他无线技术相比有着出色的，远距离，低功耗的优势。我们使用的四种电气化学传感器使空气质量数据更稳定和准确。实验结果表明系统可以精确地监测和测量气体浓度和PM浓度。

致谢

这项工作得到了北京自然科学基金会（4162014）和国家自然科学中国基金会（NSFC，No.61106028）的支持。

参考文献

1. V. C. Gungor and G. P. Hancke, IEEE Trans. Ind. Electron., 56, p. 4258–4265 (2009).
2. A. Kumar, V. Srivastava, M. K. Singh, and G. P. Hancke, IEEE Sensors J.,15, p. 2

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