基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)與實現(xiàn)

戴楊 張晴暉 李俊萩 宋燚 秦明明 強振平

摘? 要： 森林環(huán)境的特殊性導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)的實際應(yīng)用中還存在諸多困難。該文提出一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧森林監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架。該系統(tǒng)采用SX1278芯片設(shè)置LoRa收發(fā)器配合STM32F103微處理器構(gòu)建監(jiān)測節(jié)點，采用SX1301配合樹莓派構(gòu)建多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，并完成組網(wǎng)及對森林環(huán)境因子的采集、傳輸和匯集實驗;后臺服務(wù)軟件支持用戶通過PC機(jī)網(wǎng)頁端或手機(jī)端訪問，完成所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)分析等功能。在設(shè)計過程中，針對林區(qū)特點綜合考慮了系統(tǒng)的成本、低功耗、可靠性、擴(kuò)展性等。該系統(tǒng)已部署在哀牢山區(qū)，并穩(wěn)定運行了1年半。

關(guān)鍵詞： 森林環(huán)境監(jiān)測; 系統(tǒng)架構(gòu); LoRa物聯(lián)網(wǎng); 數(shù)據(jù)采集; 監(jiān)測節(jié)點設(shè)計; 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號： TN931+.3?34; S24? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）22?0044?05

Abstract： As the particularity of the forest environment has led to many difficulties in the practical application of Internet of Things technology in forestry， a smart forest monitoring system architecture combing with Internet of Things technology， embedded technology and network technology is proposed. In the system， the SX1278 chip is used to set the cooperation of the STM32F103 microprocessor and LoRa transceiver for establishment of the monitoring node， the SX1301 and the Raspberry Pi are adopted to build the multi?service gateway， and complete the networking and the acquisition， transmission and collection experiments of forest environmental factors. The background service software supports users to access PC Web page or mobile phone， and complete the functions of real?time display， historical query， data analysis of all monitoring data. In the design process， the cost， low power consumption， reliability and expansibility of the system are considered according to the characteristics of forest region. The system has been deployed in the Ailao Mountains and has been operated stably for one and a half years.

Keywords： forest environment monitoring; system architecture; LoRa IoT; data collection; monitoring node design; data processing

0? 引? 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)以及飛速發(fā)展為林業(yè)數(shù)據(jù)信息的獲取提供了技術(shù)基礎(chǔ)[1?2]。目前，物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)中的應(yīng)用主要集中在森林防火監(jiān)測[3?4]、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[5?6]，以及野生動物監(jiān)測[7?8]等方面。不過，物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)上的實際應(yīng)用中還存在諸多困難[9?10]，需要對系統(tǒng)提出更高的要求。首先，由于林區(qū)環(huán)境條件惡劣，系統(tǒng)設(shè)計必須考慮防水、氣溫變化等因素，以保證系統(tǒng)可靠性。第二，由于需要監(jiān)測的節(jié)點數(shù)量眾多，對節(jié)點成本要求較高，不能采用昂貴的氣象站。第三，數(shù)據(jù)采集節(jié)點多處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，更換節(jié)點困難，需要考慮系統(tǒng)功耗和能量收集，以保證系統(tǒng)長期工作。第四，由于不同的部署環(huán)境和監(jiān)測需求，需要系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。

針對林業(yè)應(yīng)用的需求及特點，本文提出一種森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，如圖1所示。設(shè)計中，綜合考慮系統(tǒng)的成本、時效性、可靠性、擴(kuò)展性等方面，實現(xiàn)森林環(huán)境因子和視頻圖像的采集、傳輸及處理。

1? 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 子數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計

為了適應(yīng)林區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，硬件設(shè)計中充分考慮了能源獲取、低功耗、防水、防寒及自身安全問題，以及在極端環(huán)境下不會發(fā)生爆炸、燃燒等現(xiàn)象，即使設(shè)備損壞，也不會對環(huán)境造成傷害。此外，設(shè)備還具有在極端條件下進(jìn)行預(yù)警信息回傳的能力。

圖2為數(shù)據(jù)采集節(jié)點原理框圖，主要包括MCU、信號采集、硬件喚醒和電源管理等部分。系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)作為控制器，其豐富的片上資源、靈活的節(jié)能機(jī)制方便了硬件電路設(shè)計。無線收發(fā)器采用了Semtech公司的非授權(quán)頻譜LoRa調(diào)制芯片SX1278。LoRa采用的線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制方式可以有效提高靈敏度、抗干擾能力和信道容量，可使用較低的功耗實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，適合在林區(qū)中組網(wǎng)使用。

根據(jù)森林環(huán)境監(jiān)測需求及森林火險模型關(guān)注的主要氣象因子，選取大氣溫度、大氣濕度、太陽輻射、可燃物濕度4個參數(shù)作為傳感器節(jié)點的監(jiān)測對象。溫濕度采集選用經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字式傳感器AM2301，保證了所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;可燃物濕度傳感器輸出模擬電壓信號，通過A/D采樣獲取濕度數(shù)據(jù)，安裝時插入數(shù)據(jù)采集節(jié)點附近的干樹枝中;太陽輻射傳感器采用了400～1 200 nm光譜傳感器。同時單片機(jī)還通過串口控制電源管理芯片，收集太陽能為電池充電，并精確控制各個設(shè)備的電源供給，配合節(jié)能機(jī)制能在休眠期間進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)采集節(jié)點功耗。

1.2? 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計中調(diào)用了SX1278的底層MDK，通過SPI總線協(xié)議進(jìn)行通信。采用Class B模式，可在休眠時被特定前導(dǎo)碼喚醒。使能ADR機(jī)制根據(jù)鏈路狀況自動調(diào)整通信速率，進(jìn)一步提高能量利用率。

每當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點被內(nèi)部時鐘或者外部中斷信號喚醒時，各個設(shè)備的電源在程序的控制下依次打開，完成傳感器自檢并開始采集、緩存數(shù)據(jù)。當(dāng)緩存數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定數(shù)量時監(jiān)測點會主動與網(wǎng)關(guān)握手，將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)出。而后節(jié)點將再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

1.3? 數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

每個數(shù)據(jù)幀都由前導(dǎo)碼、物理頭、負(fù)載和校驗組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點上行數(shù)據(jù)幀分為普通數(shù)據(jù)幀、緊急數(shù)據(jù)幀、中繼數(shù)據(jù)幀三種類型。每次采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比對，當(dāng)數(shù)據(jù)處于閾值范圍內(nèi)時，將采用增量壓縮方式進(jìn)行傳輸，將多次采集數(shù)據(jù)壓縮為一條信息傳輸。從而通過減少傳輸次數(shù)，降低能源消耗。圖3所示為普通數(shù)據(jù)幀負(fù)載字段，其中，包含起始時刻數(shù)據(jù)、增量數(shù)據(jù)以及時間戳。

緊急數(shù)據(jù)幀的目的是在數(shù)據(jù)采集節(jié)點休眠過程中也能對異常情況做出反應(yīng)，當(dāng)出現(xiàn)外部中斷喚醒或采樣數(shù)據(jù)超出閾值等異常情況時發(fā)送。相較于普通數(shù)據(jù)幀，緊急數(shù)據(jù)幀沒有增量數(shù)據(jù)，僅帶有一次采樣數(shù)據(jù)及一位用于標(biāo)記緊急狀況的代碼。

中繼數(shù)據(jù)幀為本節(jié)點被其他節(jié)點喚醒后代為轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀。其格式與普通數(shù)據(jù)幀相近，只在MAC層中標(biāo)記為中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀，并記錄源數(shù)據(jù)采集節(jié)點地址。

2? 區(qū)域匯集子系統(tǒng)的設(shè)計

區(qū)域網(wǎng)絡(luò)為星拓?fù)?，其中心是網(wǎng)關(guān)。除負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)外，網(wǎng)關(guān)還需要管理各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點、采集圖像，并執(zhí)行來自服務(wù)器的遙控指令。

2.1? 區(qū)域匯集子系統(tǒng)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)基于樹莓派3B構(gòu)建，無線通信采用了SX1301收發(fā)器，該收發(fā)器具有8個接收通道及1個發(fā)射通道，能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低信號碰撞概率，減少通信時間開銷，進(jìn)一步降低節(jié)點能耗。

2.2? 區(qū)域匯集子系統(tǒng)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)軟件基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，使用C語言編寫。其主要功能是管理整個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、時間同步、圖像采集等功能。為配合SX1301同時接收多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，同時能自主判斷下發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序采用多線程方式實現(xiàn)整體功能設(shè)計。

主函數(shù)完成多線程的創(chuàng)建，其服務(wù)功能在線程中實現(xiàn)，具體線程執(zhí)行時間由操作系統(tǒng)來調(diào)度完成。同時將構(gòu)建的Socket服務(wù)線程用于監(jiān)聽Socket接收的數(shù)據(jù)，定時向服務(wù)端發(fā)送心跳包以維持Socket穩(wěn)定連接。

3? 后臺服務(wù)程序設(shè)計

后臺服務(wù)軟件由數(shù)據(jù)傳輸與Web服務(wù)端兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)傳輸軟件用于維護(hù)與網(wǎng)關(guān)的通信，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，Web服務(wù)軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集節(jié)點的地圖顯示，以及所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)分析等功能。

3.1? 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸部分主要負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行異步通信，著重處理和分析異常數(shù)據(jù)，以便及時報告緊急事件。數(shù)據(jù)的存儲包括圖像存儲和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，圖像信息以照片形式直接保存在磁盤上，并在數(shù)據(jù)庫中建立檢索表。環(huán)境數(shù)據(jù)分為正常數(shù)據(jù)表及異常數(shù)據(jù)表存儲于數(shù)據(jù)庫中。消息通知的類型包括發(fā)送狀態(tài)、事件類型和錯誤碼。

3.2? Web服務(wù)軟件設(shè)計

Web服務(wù)軟件的頁面采用響應(yīng)式布局，兼容PC端和手機(jī)端，由用戶管理、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和預(yù)警處理4個子系統(tǒng)組成。用戶管理子系統(tǒng)提供身份合法性驗證接口，支持角色及其權(quán)限配置，進(jìn)而保障整個系統(tǒng)的操作安全;數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以圖形圖表的方式系統(tǒng)性地展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時變化;設(shè)備管理子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的控制臺，記錄并展示其工作狀態(tài);預(yù)警處理子系統(tǒng)具有突遇緊急事件的處理機(jī)制。

4? 系統(tǒng)測試與分析

4.1? 數(shù)據(jù)采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的部署

如圖5a）所示，本文系統(tǒng)在哀牢山選取了不同坡向、不同郁閉度的7個位置進(jìn)行了實地環(huán)境部署實驗。其數(shù)據(jù)采集節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的最遠(yuǎn)距離為1.2 km，同時根據(jù)實際地形，在部分有遮擋的區(qū)域采取縮小布點間距、增加中繼點的方式完成網(wǎng)絡(luò)的組建。每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點上掛載有大氣溫度、大氣濕度、太陽輻射、可燃物濕度4種傳感器，同時數(shù)據(jù)采集節(jié)點還采集太陽能電池電壓、充電電流、電池電壓等運行參數(shù)。

4.2? Web服務(wù)軟件測試

在Web頁面的地圖上清晰地標(biāo)注了數(shù)據(jù)采集節(jié)點在林區(qū)的布點位置，點擊各節(jié)點標(biāo)注可以查看其環(huán)境參數(shù)的實時信息。如圖6所示為PC端界面。其中，圖6a）是登錄界面;6b）所示為查看其中一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的參數(shù)的變化曲線圖;圖6c）、圖6d）所示為同時展示所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點的溫度及濕度變化曲線圖，還可回放指定時間段的歷史數(shù)據(jù)。

圖7所示為手機(jī)端監(jiān)控軟件運行效果圖。圖7a）為數(shù)據(jù)采集節(jié)點的各種環(huán)境參數(shù)的曲線圖，可以通過觸屏上下滾動翻頁查看;圖7b）、圖7c）為當(dāng)前數(shù)據(jù)的顯示界面，以及歷史數(shù)據(jù)查詢界面。

4.3? 數(shù)據(jù)采集節(jié)點功耗測試與分析

4.3.1? 數(shù)據(jù)采集節(jié)點不同功耗模式下的功耗實測

設(shè)備支持低功耗運行是LoRa網(wǎng)絡(luò)的一大特點，其具有的Class A、Class B、Class C、增量傳輸4種模式可以靈活切換，可通過延長喚醒周期、調(diào)整系統(tǒng)時鐘來達(dá)到低功耗的效果。測試中使用HP6623A 精密程控電源模擬3.8 V鋰電池供電;ADVANTEST R6462A雙通道萬用表測量數(shù)據(jù)采集節(jié)點在不同工作模式下的平均電流，如表1所示。

4.3.2? 數(shù)據(jù)采集節(jié)點功耗實測

通過對整個系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，得出各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的系統(tǒng)電壓變化及該區(qū)域太陽輻射值的關(guān)系，如圖8所示。圖中8色虛線為8個節(jié)點在連續(xù)陰天后電池電壓的變化情況，紅色三角實線為布點區(qū)域太陽輻射值的變化。由圖8中可以看出，在連續(xù)陰天后各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點電池的電壓值沒有太大波動，在陰天太陽輻射值小于200 W/m2時，電池仍然可以進(jìn)行充電;當(dāng)太陽輻射值上升到400 W/m2時，電池迅速充滿而停止充電，系統(tǒng)電壓接近太陽能電池的空載電壓。電源系統(tǒng)可以提供充足的電能保證數(shù)據(jù)采集節(jié)點的穩(wěn)定運行。

5? 結(jié)? 論

本文系統(tǒng)針對林業(yè)環(huán)境的特殊性，基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計了一套智慧森林監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)在哀牢山進(jìn)行了實際部署，采集并存儲了大量環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)穩(wěn)定運行1年半，通過對數(shù)據(jù)庫中存儲的大量數(shù)據(jù)抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，驗證了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。該架構(gòu)體系有利于推廣物聯(lián)網(wǎng)在智慧林業(yè)中的應(yīng)用，為森林決策者和管理者將現(xiàn)場觀測向電子桌面虛擬觀測進(jìn)行轉(zhuǎn)移，為林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營提供技術(shù)支撐服務(wù)。

注：本文通訊作者為張晴暉。

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