LoRaWAN 智慧环境监测系统技术优势
基于 LoRaWAN 技术的智慧环境监测系统
系统结构
LoRaWAN 网络采用星形网络拓扑结构，LoRa 网关通过标准 IP 协议连接到网络服务器，并作为透明传输的中继，简单地将 RF 分组转换为 IP 分组，反之亦可。终端与 LoRa 网关之间利用了 LoRa 物理层的超远距离无线传输特性进行无线通信，终端设备与一个或多个网关采用单跳通信。所有的终端与网关间均采用双向通信，支持云端升级等操作，以减少云端通讯时间。终端与网关之间可以根据不同终端、不同业务的传输数据大小、传输距离和时延要求，选择采用不同频率和数据传输速率完成通信。
基于 LoRaWAN 技术的智慧环境监控系统架构
如图 所示，采用四层网络结构，包含感知层、传输层、平台层和应用层。感知层是集成了 LoRa 模组的物联网环境类感知设备，包括水质监测传感器、空气质量与气象监测传感器、噪声监测传感器等；感知设备采集水质信息、空气质量信息、气象信息、噪声信息等，通过 LoRa 模组与 LoRa 网关进行通信。LoRa 网关通过 IP 网络将数据传送到云平台数据中心，应用服务器提取相关数据提供各类应用。平台层具有协议适配能力，支持接入多样的终端设备，基于统一标准和接口；能够接入和管理不同类型终端设备与不同类型应用平台，并确保各类设备、平台互联互通。应用层运行在服务器上，实现各类管理及智慧应用功能，管理者可以在平台进行应用开发，可以在 PC 终端通过Internet 经身份验证后进行远程数据查询和操控，还可在手机端安装 APP 管理软件，实现随时随地的信息监测与管理操作，也可以设置权限将部分数据开放给公众查询。
智慧城市
1. 需求概述
1.1 项目背景
世界人口城市化进程快速发展，带来了人口管理、交通拥堵、环境保护、安全等诸多问题，是每个城市管理者必须面对，并需要统筹规划的问题。城市发展中的困境需要“智慧城市”等新的手段来解决。智慧城市是在现有城市信息化的基础上，实现城市管理更安全、更高效、随时响应和智能化。 智慧城市不是城市信息化、‘数字城市”的简单升级，而是通过构建以政府、企业、市民为三大主体的交互、共享信息平台，为城市治理与运营提供更简捷、高效、灵活的决策支持与行动工具，达到可感可视的安全、触手可及的便捷、实时协同的高效、和谐健康绿色的目标。
针对城市的生态环境管理和保护，搜集所需相关信息，建立感知网络，感知对象覆盖城市环境相关的水质、风速风向、噪声、温湿度、土壤和空气等生态环境相关数据，为智慧城市的智慧化应用提供环境类数据。目前智慧环境感知网络的解决方案，通常是基于有线通信、无线通信两种方式，其中无线通信又包含2G、3G、4G、NB- IoT、LoRaWAN 等。基于 LoRaWAN 技术的智慧环境监测系统运用LoRaWAN 远距离、低功耗、多节点、低成本的特性，实现对城市智慧环境感知网络数据采集与网络设备的远程实时监控，实现科学的动态管理，从而提升城市环境管理的效率和服务水平。
1.2 系统目标
本文着重阐述无线通信中 LoRaWAN 技术在智慧环境监测系统中的应用及技术优势。LoRaWAN 技术智慧环境监测系统，是使用 LoRaWAN 来承载智慧环境监测系统感知网络，作为一种主流 LPWA 技术，其特点是低速率、远距离、低功耗、多节点、低成本，与 NB- IoT（另一种主流 LPWA 技术）相比，LoRaWAN 网络的优势在于其不需要授权频谱组网，组网灵活，不依赖运营商，且不产生网络使用费及流量费
1.3 系统结构
2. 系统功能需求
系统功能整体说明，绘制系统功能模块图
2.1 环境类感知设备
水质监测传感器
能实时监测地下、内河、海岸、公园湿地、湖泊水库、水厂等环境中重要的水质参数，如温度、电导率、溶解氧气（DO）、PH、浊度、氨氮（NH4）等的变化情况。采用水质自动监测站，在 HQ 全境范围内的重点水源环境布设水质监测感知网络。 空气质量与气象监测传感器
空气质量监测传感器
采集 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO 六种主要大气污染物浓度，温室气体CO2、CH4 浓度。气象监测传感器采集噪声、温度、湿度、风向、风速、气压、雨量、光照、紫外光
噪声监测传感器
噪声监测传感器负责对干扰工作、学习和生活的声音及其声源进行监测，通过布设高密度的噪声监测传感器网络，实现对 HQ 城市噪声的实时监测。噪声监测网络包括城市各功能区噪声监测、道路交通噪声监测、区域环境噪声监测和噪声源监测等
2.1.1 功能描述
LoRa 技术
LoRa（Long Range，远距离）是一种调制技术，融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，
与同类技术相比，提供更长的通信距离、更优异的抗干扰能力。LoRa 技术具备以下几大特点：
（1）深度覆盖：LoRa 芯片的接收灵敏度最高可达到
－148dBm，在 20dBm 的发射功率下，LoRa 调制的链
路预算可达 168dB，能够提供更广更深的覆盖能力。
（2）低功耗：根据每一终端需传输数据大小与时延
要求，通过一种速率自适应（ADR）技术来控制无线传
输速率和终端设备的射频输出功率，使终端功耗降
低，其接收电流可控制在 10mA，睡眠电流可控制在
200nA，这可延长电池使用时间和使用寿命[3]。
（3）大容量：通过扩频技术，不同的终端和网关之
间可以选择采用不同频率和数据传输速率，不同频
率、不同速率的通信互不干扰；同时通过创建了一组
虚拟化的“频段”来增加网关容量。如 LoRa 网关采用
SX1301 基带芯片，有 8 个通道，每天可以接收近 150
万包数据。
（4）低成本：LoRa 低速率、低功耗的特性，使得电
子元器件要求不需太高，可以控制成本，目前，单个
LoRa 模组的市场价格较低，相信在模组规模商用化
基于 LoRaWAN 的智慧环境监测系统的研究
5）非授权频段，组网灵活：LoRa 主要运行在非授
权频段，组网灵活，在免授权频段为 434MHz 和 470-
2.1.2 业务流程
智慧环境监控平台作为应用平台，通过 IP 网络与云数据中心平台连接，通过调取云数据中心平台中采集的物联网设备的感知数据，进行处理、分析和应用。智慧环境监控平台可在电子地图显示环境感知设备的状态，同时建立运行日志数据库，可永久保存数据。用户可以通过网站、APP 或其他方式访问智慧环境监控平台服务器。
2.1.3 用户界面
2.2.1 功能描述
实现空气质量监测主要分为以下几个步骤：
实现传感器采集空气质量（感知层）；将采集到的空气质量数据通过 LoRa 通信模组发送给 LoRa 网关 （传输层）；LoRa 网关将收到的数据转发给云数据中心，云数据中心对其进行储存、筛选、分类、预处理（平台层）；云数据中心根据指令将应用所需数据发送给应用服务器，应用服务器实现智慧应用功能（应用层）；通过网站、APP 或者其他方式访问应用服务器查询空气质量状态，并以不同方式智慧呈现。试验顺利采集到空气质量监测数据，并通过 HQ空气质量实况发布平台，查询到数据图表。
3. 系统非功能需求
基于 LoRaWAN 技术的智慧环境监测系统，结合LoRa 网络、云数据中心平台、应用服务平台等大的处理能力，实现对智慧环境所需关键要素的数据采集、存储、分析和应用，同时实现对系统本身的实时监控、故障管理。将 LoRa 技术应用于智慧环境，能够满足技术与城市现代化深度融合的要求，能够实现城市管理服务能力的提升。
小组成员：熊英、刘松荣
时间：2022年3月6日