伴随着国内水产养殖业的快速发展,水产养殖面积逐年递增,已经成为我国农业经济增长的主要产业之一。但在水产养殖水质监测方面,大部分养殖户仍采用依赖于人工经验的传统养殖模式,无法对水质做出科学的判断而影响行业的发展。当前,随着农业现代化和无线传感器网络技术的飞速发展,为水产养殖水质监测提供了科学的解决方案。目前绝大部分工厂化养殖模式的水质监测采用Zigbee、WiFi、GPRS等无线通信技术进行通信,但对于监测面积较大的池塘养殖区域来说,存在通信距离短、抗干扰性差、功耗高等缺陷。本文根据水产养殖水质监测的发展需求,将低功耗广域网LoRa无线技术运用到其中,设计了一种基于LoRa技术的低功耗水产养殖水质监测系统。本文主要研究的内容如下:(1)根据实际应用场景的需求,对低功耗局域网和低功耗广域网的几种常用通讯技术进行对比和分析,结合LoRa技术的特性,将该技术运用到水产养殖水质监测系统的设计中,确定系统的整体架构。(2)分析系统需求,确定系统的硬件设计部分,包含传感器节点和汇聚节点的硬件方案。传感器模块、主控模块、无线通信模块、和电源模块共同构成传感器节点,传感器节点向下通过传感器采集水温和PH值,向上利用LoRa无线技术将数据发送至汇聚节点。汇聚节点不仅需要和传感器节点进行通信,还需把数据汇总后利用串口传输至上位机。(3)在嵌入式软件开发方面,利用IAR集成开发环境对传感器节点和汇聚节点设计了应用程序。根据水产养殖的需求和控制生产成本的要求,选择了对水质影响较大的水温和PH值两个参数,将传感器输出的模拟信号转化为数字信号,完成了将数据打包,并进行发送和接收的通信功能,同时实现了系统与上位机的通讯。(4)在上位机软件开发方面,利用Visual Studio 2015的开发环境,使用C#语言完成一款具有友好界面的上位机监测平台,将通过串口接收到的数据,采取图形显示的方式,对各个传感器节点采集到的水质参数信息进行实时监控,直观地显示水质参数的波动,建立了水质参数数据库,可查看以往的历史数据,并设置警戒值便于操作人员查看分析。(5)通过对影响系统功耗因素的分析,得出从硬件和软件两个角度来达到降低系统功耗的目的。硬件部分选择基于LoRa技术的SX1278射频芯片和STM8L微处理器作为主控芯片,从而保证系统拥有较低的功耗。软件部分首先使用功率控制技术,根据监测区域面积的大小选择合适的发射功率来降低系统的功率,其次,针对系统通信时因竞争信道而引发碰撞导致能量消耗的情况,设计了以TDAM协议为基础的LoRaMAC通信协议,避免了节点之间的冲突、增加了工作周期内节点的休眠时间。(6)对水产养殖水质监测系统进行模拟测试,包含系统通信距离测试、功耗理论计算、组网测试和功能测试。通信距离测试结果表明丢包率小于10%,监测范围在2km内的情况下,通信质量良好;节点在工作周期为10min,电池容量为2800mAh的供电情况下,节点的使用寿命可以达到9409个小时;系统使用星型组网方式,采用LoRaMAC通信协议搭建无线网络,通过上位机界面表明系统功能正常,满足预期的设计目标。综上所述,系统各项测试符合设计要求,系统具有功耗低、远距离传输、节点放置灵活等特点,在水产养殖水质监测领域中具有良好的发展前景。