基于LoRa组网的超低功耗径流含沙量检测系统

doi:10.12302/j.issn.1000-2006.202304039

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南京林业大学学报（自然科学版） ›› 2025, Vol. 49 ›› Issue (2): 161-168.doi: 10.12302/j.issn.1000-2006.202304039

基于LoRa组网的超低功耗径流含沙量检测系统

杨鹏城¹(), 刘砚一¹^,^*(), 陈书畅¹, 沈奕聪¹, 宋晨悦²

1.南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京 210037
2.南京林业大学林草学院、水土保持学院,江苏南京 210037

收稿日期:2023-04-28 接受日期:2023-09-03 出版日期:2025-03-30 发布日期:2025-03-28
通讯作者: *刘砚一(yyliu@njfu.edu.cn),高级实验师。
作者简介:
杨鹏城(1223035252@qq.com)。
基金资助:
中国高校产学研创新基金项目(2020HYA02012);南京林业大学大学生创新训练计划项目(202210298118Y)

An ultra-low-power sediment concentration detecting system in runoff based on LoRa networking

YANG Pengcheng¹(), LIU Yanyi¹^,^*(), CHEN Shuchang¹, SHEN Yicong¹, SONG Chenyue²

1. College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China
2. College of Forestry and Grassland,College of Soil and Water Conservation,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China

Received:2023-04-28 Accepted:2023-09-03 Online:2025-03-30 Published:2025-03-28

摘要/Abstract

摘要：

【目的】我国水土流失现象严重,通过对水土流失状况进行有效、可靠的检测,为研究人员提供可靠的数据依据,助力水土流失和水土保持效益定量评价,更好地掌握水土流失情况和治理效果。【方法】基于物联网架构,设计了一套基于远距离无线电(long range radio, LoRa)组网的坡面土壤侵蚀动态检测系统,该系统采用LoRa Standby-CAD工作策略实现超低功耗。【结果】与传统技术相比,本研究设计的径流含沙量检测系统可降低40%电耗,待机时长可提高8.5倍;基于ECharts框架和华为云平台设计可视化大屏,实现检测数据可视化。实地测试结果表明,与传统比重法相比,本系统检测数据相对误差均值为3.08%。【结论】本研究设计的径流含沙量检测系统能持续地实时检测野外坡面径流小区径流含沙量及降水量,相比传统物联网技术方案,该系统功耗低、测试精度高、数据可视化、投产建设及维护成本低,可为相关生产、研究工作提供真实有效的实测数据及解决方案。

关键词: 含沙量检测, 超低功耗, LoRa, 径流

Abstract:

【Objective】Soil erosion represents a critical issue in China. It is necessary to quantitatively evaluate soil erosion and the benefits of soil conservation, and to understand the situation of soil erosion and the effectiveness of treatment measures. This study involves effectively and reliably detecting the soil erosion status and providing a dependable data foundation for researchers. 【Method】The study used an internet of things (IoT) architecture to design an ultra-low-power sediment concentration detection system in runoff based on long range radio (LoRa) networking. The Standby-CAD with LoRa was employed to achieve ultra-low power consumption. 【Result】This system reduced energy consumption by 40% and increased standby time by 8.5 times compared to traditional techniques. The ECharts framework and Huawei cloud platform were utilized to design a visualization screen for data visualization. Through multiple tests, the average value of the relative error of data measured by this system was 3.08% compared to the traditional gravity method. 【Conclusion】This system can continuously detect the runoff sediment concentration and also rainfall in runoff plots on hillsides in real-time. Compared to traditional IoT technical solutions, this system demonstrates low power consumption, high testing accuracy, data visualization, and also reduced production and maintenance costs, providing accurate and effective measurement data and solutions for related production and research activities.

Key words: sediment concentration detection, ultra-low power consumption, long rang radio (LoRa), runofff

中图分类号:

杨鹏城,刘砚一,陈书畅,等. 基于LoRa组网的超低功耗径流含沙量检测系统[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2025, 49(2): 161-168.

YANG Pengcheng, LIU Yanyi, CHEN Shuchang, SHEN Yicong, SONG Chenyue. An ultra-low-power sediment concentration detecting system in runoff based on LoRa networking[J].Journal of Nanjing Forestry University (Natural Science Edition), 2025, 49(2): 161-168.DOI: 10.12302/j.issn.1000-2006.202304039.

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参考文献 17

[1]	王一峰, 屈丽琴, 李建明, 等. 基于近20年《中国水土保持公报》的水土流失治理分析[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(7):59-65.
	WANG Y F, QU L Q, LI J M, et al. Analysis of soil erosion control based on China soil and water conservation bulletin in the past two decades[J]. J Changjiang River Sci Res Inst, 2023, 40(7):59-65.DOI: 10.3969/j.issn.1001-5485.2007.01.004.
[2]	陈群香. 中国水土保持生态环境建设现状与社会经济可持续发展对策[J]. 水土保持通报, 2000, 20(3):1-4,34.
	CHEN Q X. Situation of soil and water conservation based eco environment and sustainable development of society and economy[J]. Bull Soil Water Conserv, 2000, 20(3):1-4,34.DOI: 10.13961/j.cnki.stbctb.2000.03.001.
[3]	张相, 丁鸣鸣, 李卓远, 等. 水蚀作用下红壤丘陵区土壤特性的空间分异特征[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2023, 47(6):77-84.
	ZHANG X, DING M M, LI Z Y, et al. Spatial differentiation of soil properties in hilly red doil region under water erosion[J]. J Nanjing For Univer (Nat Sci Ed), 2023, 47(6):77-84.DOI: 10.12302/j.issn.1000-2006.202204052.
[4]	林杰, 张相, 姜姜, 等. 水力侵蚀过程中土壤有机碳循环研究进展[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2022, 46(6):187-194.
	LIN J, ZHANG X, JIANG J, et al. A review on the soil organic carbon cycling under water erosion[J]. J Nanjing For Univ (Nat Sci Ed), 2022, 46(6):187-194.DOI: 10.12302/j.issn.1000-2006.202206017.
[5]	李月, 周运超, 白晓永, 等. 径流小区法监测水土流失的百年历程(1915—2014年)[J]. 中国水土保持, 2014(12):63-66.
	LI Y, ZHOU Y C, BAI X Y, et al. Centennial course of monitoring soil erosion by runoff plot method (1915-2014)[J]. Soil Water Conserv China, 2014(12):63-66.DOI: 10.14123/j.cnki.swcc.2014.12.027.
[6]	GÓMEZ J A, NEARING M A, GIRÁLDEZ J V, et al. Analysis of sources of variability of runoff volume in a 40 plot experiment using a numerical model[J]. J Hydrol, 2001, 248(1/2/3/4):183-197.DOI: 10.1016/S0022-1694(01)00402-4.
[7]	罗勇钢, 程鸿雨, 邹君, 等. 一种散射式浊度传感器设计[J]. 传感器与微系统, 2015, 34(6):67-69.
	LUO Y G, CHENG H Y, ZOU J, et al. Design of a scattering turbidity sensor[J]. Transducer Microsyst Technol,2015, 34(6):67-69.DOI: 10.13873/J.1000-9787(2015)06-0067-03.
[8]	王辉, 雷廷武, 赵军, 等. LTW-1型径流泥沙含量与流量动态测量系统研究[J]. 水土保持通报, 2003, 23(2):43-45.
	WANG H, LEI T W, ZHAO J, et al. LTW-1 dynamic measuring system for sediment concentration and flow rate determination of runoff flow[J]. Bull Soil Water Conserv, 2003, 23(2):43-45.DOI: 10.13961/j.cnki.stbctb.2003.02.012.
[9]	赵昕, 田岳明, 徐汉光, 等. 激光类测沙仪在长江泥沙测验中的应用[J]. 水文, 2011, 31(S1):117-120.
	ZHAO X, TIAN Y M, XU H G, et al. Application of laser sediment measuring equipment in Yangtze River basin[J]. J China Hydrol, 2011, 31(S1):117-120.
[10]	GUY B T, DICKINSON W T, RUDRA R P. The roles of rainfall and runoff in the sediment transport capacity of interrill flow[J]. Trans ASAE, 1987, 30(5):1378-1386.DOI: 10.13031/2013.30575.
[11]	张勇, 李仁华, 姚赫, 等. 水土保持自动监测设备现状及新设备研发[J]. 人民长江, 2022, 53(9):43-48.
	ZHANG Y, LI R H, YAO H, et al. Application status of soil and water conservation monitoring equipment and development of new equipment[J]. Yangtze River, 2022, 53(9):43-48.DOI: 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.09.008.
[12]	赵岩, 张永成, 康军, 等. 一种低功耗的NB-IoT温湿度采集器设计[J]. 中国测试, 2022, 48(9):140-144,157.
	ZHAO Y, ZHANG Y C, KANG J, et al. Design of a low-power temperature and humidity collector based on NB-IoT[J]. China Meas Test, 2022, 48(9):140-144,157.
[13]	唐菲. 基于物联网的分布式水质在线监控系统设计[J]. 传感技术学报, 2022, 35(4):565-572.
	TANG F. Design of distributed on-line monitoring system of water quality based on IoT[J]. Chin J Sens Actuat, 2022, 35(4):565-572.DOI: 10.3969/j.issn.1004-1699.2022.04.021.
[14]	何诚刚. 基于LoRa的无线监测系统设计[J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2018, 49(3):528-530.
	HE C G. Design for a wireless monitoring system based on LoRa[J]. J Shandong Agric Univ (Nat Sci Ed), 2018, 49(3):528-530.DOI: 10.3969/j.issn.1000-2324.2018.03.032.
[15]	陈思. 基于OneNET的农业大棚物联网环境监控系统的研究与实现[D]. 沈阳: 辽宁大学, 2019.
	CHEN S. Research and implementation of agricultural greenhouse IoT environment monitoring system based on OneNET[D]. Shenyang: Liaoning University, 2019.
[16]	张铮, 曹守启, 朱建平, 等. 面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗LoRa传感器网络[J]. 农业工程学报, 2019, 35(1):164-171.
	ZHANG Z, CAO S Q, ZHU J P, et al. Long range low power sensor networks with LoRa sensor for large area fishery environment monitoring[J]. Trans Chin Soc Agric Eng, 2019, 35(1):164-171.DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.020.
[17]	展小云, 郭明航, 赵军, 等. 径流泥沙实时自动监测仪的研制[J]. 农业工程学报, 2017, 33(15):112-118.
	ZHAN X Y, GUO M H, ZHAO J, et al. Development of real-time and automatic measuring equipment for runoff and sediment[J]. Trans Chin Soc Agric Eng, 2017, 33(15):112-118.DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.014.

相关文章 15

[1]	李娟, 薛建辉, 熊伟巍, 张国微, 王翰琨. 施加生物炭对屋顶绿化土壤径流水质的影响[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2025, 49(2): 153-160.
[2]	何旭, 缪子梅, 田佳西, 杨柳, 张增信, 朱斌. 基于CMIP 6多模式的长江流域气温、降水与径流预估[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2024, 48(2): 1-8.
[3]	陈隆升, 梅莉, 陈永忠, 赵泽尧, 许彦明, 张震, 胡亚军, 刘彩霞, 苏以荣. 油茶林生草栽培对地表径流及氮磷流失特征的影响[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2021, 45(6): 127-134.
[4]	席梦涵,郑思俊,张青萍,张浪. 屋顶绿化单体基质材料对降雨径流氮磷特征的影响[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2019, 43(03): 77-84.
[5]	周子尧,吴永波,余昱莹,杨静. 河岸杨树人工林缓冲带对径流水中磷素截留效果的研究[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2019, 43(02): 100-106.
[6]	李吉平,徐勇峰,陈子鹏,韩建刚,李威,李萍萍. 洪泽湖地区麦稻两熟农田和杨树林地氮磷径流流失特征研究[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2019, 43(01): 98-104.
[7]	石磊,盛后财,满秀玲,蔡体久. 兴安落叶松林降雨再分配及其穿透雨的空间异质性[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2017, 41(02): 90-96.
[8]	朱宾宾,满秀玲,俞正祥,胡悦,马培文. 大兴安岭北部森林小流域融雪径流特征[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2016, 40(06): 69-75.
[9]	韩诚,张金池,庄义琳,庄家尧,刘鑫,杨志华,顾哲衍. 苏南丘陵区麻栎林冠层水文效应及其影响因素[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2014, 38(02): 93-98.
[10]	刘晓凯,薛建辉,吴永波. 模拟暴雨条件下杨麦复合系统氮、磷随地表径流流失特征分析[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2012, 36(02): 117-120.
[11]	张绿水，张青萍. 上海世博园区雨水生态化处理技术分析[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2011, 35(04): 131-135.
[12]	孔维健，周本智*，傅懋毅，李正才，谢锦忠，吴明. 不同土地利用类型水土保持特征研究[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2009, 33(04): 57-61.
[13]	庄家尧1，张金池1，苏继申2，张勇1，程鹏3，付军3. 水文观测中径流量计算精度的改进[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2008, 32(06): 147-150.
[14]	余爱华,石迪,赵尘*. 公路沥青路面径流的水质特性[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2008, 32(05): 149-152.
[15]	薛建辉1,郝奇林2,吴永波1,刘兴良3. 种亚高山森林群落林冠截留量及穿透雨量与降雨量的关系[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）, 2008, 32(03): 9-13.

方案号 scheme No.	休眠模式电流/mA current value of sleep mode	最大休眠时长/d max sleep duration	工作模式电流/mA current value of work mode	最大工作时长/d maximum work duration
1	28.566 1	16	41.758 9	11
2	3.989 0	116	39.998 8	11

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