基于LPWAN的水质检测系统开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

社会的快速发展和生产力的不断提高，虽然物质生活质量得到了极大的改善，随之而来的是水污染问题日益严重，作为一个发展中国家，我们坚持的是可持续发展道路，对于环境的治理也是非常重视，并且面临着水资源日益短缺的困境，在这样的坏境之下不仅要考虑水资源的利用率也应该从水资源的监测方面加强管理。

水质检测技术的发展过程可以分为三个阶段：人工水质分析阶段；水质专用监测仪器阶段；水质自动检测阶段。国内早期的水质监测是定时定点在河流的某些断面取出瞬时水的样本之后带回实验室分析，这种方式费时费力又不能及时准确的获取水质的动态数据，为了对水质的异常变化做出及时的处理，国外在完善实验室监测的同时，陆续发展水质自动检测系统，美国早在20实际中叶就已经建立水质自动检测系统，20世纪70年代英国、日本、荷兰、德国等国都先后建立了水质连续检测系统；20世纪80年代我国开始研究水质自动检测系统，在全国主要的江河流域、湖泊建成了73个水质自动检测站，较早期的人工水质分析已经有了巨大的进步。但是我国现行的水质检测主要以各大监测实验为主，但是由于这种监测方式的人力消耗大，响应时间长，自动化程度低，不能实现对水质进行实时监测和预测，随着物联网技术的发展和在各个领域中的表现，基于物联网技术的水质检测系统应运而生，利用传感器网络实时监测水环境，自动监测水面污染并发出警告，还可以对突发性污染事件进行预警，但是对于一些偏远地区的工程项目，比如水库大坝以及沿河的水质检测等，由于没有通信网络的的覆盖，无法提供电源供电并且在有通信网络的覆盖地区使用移动运营商的网络带宽往往造成成本过高导致项目无法实施。

通过研究LPWAN通信技术的原理和特点，并且基于LoRaWan协议定义下的网关框架，提出基于LoRa技术的水质检测系统的解决方案，解决因为供电以及网络带宽成本高而造成的一些问题。目前，LoRa技术正在国外如火如荼地发展，不过在国内，LoRa网络的发展与国外的厂商以及其他科研机构相比而言还是存在不小的差距，随着中国LoRa应用联盟在2016年12月成立，表示LoRa技术正式进入中国并且有了一个更加广阔的发展空间，相比其他的物联网技术，LoRa技术成本低、功耗低，技术也相对成熟，正是中国物联网发展所需要的，以实现低功率远距离通信的水质检测系统为目的，所以设计并实现一个基于超低功耗的水质检测信号采集系统是有必要的。

2. 研究的基本内容与方案

1、 设计lpwan网络通信架构

lpwan的主要技术代表包括lora技术、nb-iot技术、sigfox技术等; 其中，lora是一种低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网或m2m等应用，是低功耗广域网（lpwan）一种重要的无线技术;而lora技术又包含lorawan协议和lora协议。事实上lorawan指的是mac层的组网协议，而lora只是一个物理层的协议。

通信是水质检测的关键节点，保证了数据的传输和不丢失让数据得以分析，之后对水质进行改善，所以选择和设计网络通信架构十分重要，水质检测系统只需采用典型的lorawan网络框架即可，因为水质检测需要采用多个或者一个终端传感器即可，并且一个典型的lorawan网络框架是由终端、网及服务器构成，终端和网关之间采用星形网络结构，如果它们之间的物理距离在lora技术的传输范围内，就可以直接通信传输，否则就可以多级网关中继。

lora网关节点在lorawan物联网系统中主要起到两个作用，一是实现类似中继器的作用，完成数据在各个网关节点以及终端节点之间的数据传输，既要保证通信距离足够长，又要保证通信数据完整不丢失；而是完成数据的转换，将lorowan格式的数据转换成其他格式的数据，主要是串口数据。以便将lora网关暂存的lorawan数据向上层服务器传输。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的理论知识、技术要求以及相关资料。确定方案，完成开题报告。

第4-9周：学习传感器知识，搭建传感器终端检测系统，并进行数据采集进而设计数据分析算法；

第10-13周：学习lpwan网络传输知识，并完成网络通信系统的搭建；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]唐山. 基于lorawan的广域物联网技术研究及实现[d]. 电子科技大学.

[2]王毅鸿, 凌朝东. 基于lora的无线数据传输系统的设计与研究[j]. 电脑知识与技术, v.14(14):33-35.

[3]梁正宁, 黄晁. 基于lora的水质检测系统设计[j]. 无线通信技术, 27(04):50-54 59.