基于LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉懿俊，梁 軍，張 強(qiáng)

（深圳市地質(zhì)局，廣東 深圳 518023）

0 引 言

我國(guó)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)活動(dòng)頻繁，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，受其影響和威脅的人口眾多[1]。為最大限度保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，提供完善的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)（地災(zāi)監(jiān)測(cè)）預(yù)警系統(tǒng)至關(guān)重要。地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要傳感器對(duì)地質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)對(duì)傳感器測(cè)量信息進(jìn)行采集與回傳，通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)狀態(tài)的異常變化，實(shí)現(xiàn)地災(zāi)監(jiān)測(cè)[2]。地質(zhì)監(jiān)測(cè)具有多種方式，包括無(wú)人機(jī)[3]、傳感器以及衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等[4]。其中傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有全時(shí)監(jiān)測(cè)、低成本以及高效傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)。

DAQ系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，針對(duì)不同應(yīng)用需求，可以有針對(duì)性的設(shè)計(jì)相應(yīng)DAQ系統(tǒng)[5-6]。對(duì)于需求簡(jiǎn)單、環(huán)境友好的單一應(yīng)用場(chǎng)景，DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)，并具有極為穩(wěn)定的性能。然而，地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜，其對(duì)DAQ系統(tǒng)要求較高，如超長(zhǎng)距離傳輸、低功耗運(yùn)行、多頻段運(yùn)行等，因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度較大。

2013年8月，Semtech公司發(fā)布了基于1 GHz以下的超長(zhǎng)距、低功耗新型數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)Long Range Radio（LoRa），其接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，確保了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由內(nèi)置LoRa模塊終端、基站和服務(wù)器等組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸[7]。LoRa在極大改善數(shù)據(jù)接收靈敏度的同時(shí)，降低了功耗。其支持多信道多數(shù)據(jù)并行處理，系統(tǒng)容量大，支持測(cè)距和定位。LoRa技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海上救援系統(tǒng)[8]、地下礦井監(jiān)測(cè)[9]以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)測(cè)[10]等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)。

本文以LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行地災(zāi)監(jiān)測(cè)的高集成度DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在滿足地災(zāi)監(jiān)測(cè)嚴(yán)苛的環(huán)境要求以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

1 地災(zāi)監(jiān)測(cè)DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用于地災(zāi)監(jiān)測(cè)的高集成度DAQ系統(tǒng)主要包括三大設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)需具有多頻段采樣能力：在地質(zhì)活動(dòng)穩(wěn)定期，地災(zāi)監(jiān)測(cè)采用常規(guī)采樣頻率，采樣頻率較低；地質(zhì)活動(dòng)活躍期，采用應(yīng)急監(jiān)測(cè)采樣頻率，采樣頻率較高。兩種監(jiān)測(cè)狀態(tài)可同時(shí)運(yùn)行，且系統(tǒng)可根據(jù)地質(zhì)活動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)進(jìn)行不同監(jiān)測(cè)狀態(tài)的切換。

（2）地災(zāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不存在運(yùn)營(yíng)商信號(hào)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸造成嚴(yán)重干擾，因此組建穩(wěn)定的局域網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中回傳至關(guān)重要。

（3）地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采樣周期長(zhǎng)，一般3～5年為一個(gè)周期，且絕大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)不具備市電供電能力，設(shè)備能耗的良好設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

針對(duì)地災(zāi)監(jiān)測(cè)需求，提出基于LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。如圖1所示，系統(tǒng)以LoRa技術(shù)傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)為主體，局域網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)N（N≥30）個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制與數(shù)據(jù)傳輸工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)M（M≥4）個(gè)傳感器（監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的供電控制與數(shù)據(jù)采集等工作。上層服務(wù)器通過(guò)已有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。局域網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)的良好設(shè)計(jì)可以很好地解決監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，采用LoRa傳輸技術(shù)可保證節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間長(zhǎng)距離、多頻段的數(shù)據(jù)采樣與傳輸，自主電力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與傳感器的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

圖1 LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

此外，系統(tǒng)還集成有其他輔助模塊，包括報(bào)警系統(tǒng)、離線機(jī)制、藍(lán)牙與無(wú)線網(wǎng)、北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)等。系統(tǒng)的封裝與安裝調(diào)試等設(shè)計(jì)也考慮了現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)的復(fù)雜組裝環(huán)境以及惡劣的氣候。

2 LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

地災(zāi)監(jiān)測(cè)的DAQ系統(tǒng)中存在不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)不同項(xiàng)目、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有不同采樣頻率需求、常規(guī)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)并行以及供電要求不一致等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，需引入多種頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)保證數(shù)據(jù)無(wú)丟失、信道不擁堵、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.1 LoRa雙頻傳輸設(shè)計(jì)

多頻段設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于防止信號(hào)之間的干擾以及數(shù)據(jù)傳輸擁堵，根據(jù)地災(zāi)監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)的LoRa雙頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括高速頻段和低速頻段，如圖2所示。高速頻段應(yīng)用于應(yīng)急地災(zāi)監(jiān)測(cè)的高頻數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采樣頻率為5～10 s/次；低速頻段用于常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采樣頻率為10～30 min/次。采樣速率可根據(jù)遠(yuǎn)程服務(wù)器、系統(tǒng)內(nèi)編程等進(jìn)行實(shí)時(shí)切換。同時(shí)，系統(tǒng)也可根據(jù)采樣信息的現(xiàn)場(chǎng)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)自主切換：如DAQ監(jiān)測(cè)的單位窗口時(shí)間內(nèi)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻繁，可自主將采樣速率調(diào)整為高速頻段；當(dāng)監(jiān)測(cè)的單位窗口時(shí)間內(nèi)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)較弱，則系統(tǒng)自主調(diào)整為低速頻段。LoRa雙頻段設(shè)計(jì)可以靈活為同一局域網(wǎng)內(nèi)的不同地災(zāi)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景使用不同頻段，進(jìn)行獨(dú)立的傳輸加密設(shè)計(jì)，在防止信號(hào)互相干擾的同時(shí)，有效避免信號(hào)傳輸擁堵，保證數(shù)據(jù)傳輸高效穩(wěn)定。

圖2 雙頻監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.2 LoRa自主協(xié)議設(shè)計(jì)

LoRa具有完全開(kāi)放的公用協(xié)議，對(duì)于地災(zāi)監(jiān)測(cè)DAQ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方便可行。然而，單純采用公用協(xié)議雖可極大降低開(kāi)發(fā)時(shí)間與成本，但存在信號(hào)傳輸干擾的風(fēng)險(xiǎn)。地災(zāi)監(jiān)測(cè)一般處于開(kāi)放的戶外，因此存在其他應(yīng)用LoRa技術(shù)設(shè)備的可能性，一旦應(yīng)用了相同LoRa公用協(xié)議的兩種系統(tǒng)彼此存在于各自有效數(shù)據(jù)傳輸范圍，必會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，將極大影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩蜏?zhǔn)確性。

以LoRa公用協(xié)議為基本框架進(jìn)行獨(dú)立的私有數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議自主開(kāi)發(fā)，在區(qū)別于LoRa公用協(xié)議的同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)協(xié)議進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，使協(xié)議更適用于地災(zāi)監(jiān)測(cè)DAQ系統(tǒng)。例如，自主協(xié)議可自定義離線數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，有效防止數(shù)據(jù)丟包；自主協(xié)議也可以提高局域網(wǎng)的網(wǎng)組間距，并保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩c穩(wěn)定。

2.3 系統(tǒng)能耗設(shè)計(jì)

為保證DAQ設(shè)備良好運(yùn)行，能源的穩(wěn)定供給尤為重要。不同于其他電子電力設(shè)備，地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于不具備市電供電條件的無(wú)人地帶，欲滿足所有技術(shù)需求并同時(shí)保證設(shè)備在戶外長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，需要優(yōu)秀的能耗管理與設(shè)計(jì)。能源設(shè)計(jì)主要從電力供應(yīng)與降低功耗兩方面進(jìn)行，如圖3所示。通過(guò)增大電池容量、提供太陽(yáng)能電池板等措施提供有效的電力供應(yīng)；通過(guò)設(shè)計(jì)超低功耗LoRa雙頻段硬件電路降低系統(tǒng)功耗。

圖3 系統(tǒng)能耗設(shè)計(jì)

低功耗硬件電路設(shè)計(jì)包括電路分離設(shè)計(jì)、多級(jí)電壓設(shè)計(jì)以及智能控制上電設(shè)計(jì)等。電路分離設(shè)計(jì)將系統(tǒng)的主電路與外圍電路進(jìn)行分離供電。主電路保持全天候電力供應(yīng)，保證服務(wù)器的實(shí)時(shí)通信，并隨時(shí)激活外圍電路。外圍電路保持全時(shí)休眠狀態(tài)，僅在受到主電路喚醒激活后進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)。傳統(tǒng)DAQ系統(tǒng)為降低硬件設(shè)計(jì)難度與成本，忽略不同模塊的電壓需求差異，采用單一電壓的能源供應(yīng)，導(dǎo)致部分元器件供能過(guò)剩，耗能過(guò)多。通過(guò)多級(jí)電壓設(shè)計(jì)，保證針對(duì)不同傳感器、硬件模塊等提供相應(yīng)的需求電壓，使各硬件均可實(shí)現(xiàn)最低功耗的穩(wěn)定運(yùn)行。普通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器全時(shí)運(yùn)行，上層數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)需求隨時(shí)從傳感器處調(diào)取測(cè)量數(shù)據(jù)，因此大部分時(shí)間傳感器處于無(wú)響應(yīng)工作狀態(tài)，所設(shè)計(jì)的智能控制上電功能僅在上層出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集需求時(shí)，系統(tǒng)才為傳感器提供電力并進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，極大降低傳感器端的能量消耗。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

3.1 LoRa節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試

圖4所示為L(zhǎng)oRa節(jié)點(diǎn)控制電路，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)能夠作為一個(gè)單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)正常工作，并具備4G模塊擴(kuò)展能力。節(jié)點(diǎn)模塊同時(shí)集成傾角傳感器、振弦傳感器、溫度傳感器以及電池電壓傳感器，并均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作與輸出。傳感器電壓開(kāi)關(guān)控制正常，能夠給外部傳感器供電，其滿足5～12 V，1 A標(biāo)準(zhǔn)。服務(wù)器可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多參數(shù)切換控制，節(jié)點(diǎn)能夠正常上線并回復(fù)數(shù)據(jù)。在不超過(guò)LoRa網(wǎng)關(guān)標(biāo)稱負(fù)荷的情況下，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸壓力試驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)均能夠穩(wěn)定傳送到服務(wù)器。

圖4 節(jié)點(diǎn)控制電路

3.2 LoRa網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試

網(wǎng)關(guān)模塊具有獨(dú)立設(shè)計(jì)的防中斷4G通信調(diào)度算法，正常工作條件下去掉網(wǎng)關(guān)4G模塊30 min隨即恢復(fù)4G模塊連接，服務(wù)器仍可收到帶有離線數(shù)據(jù)標(biāo)記的完整數(shù)據(jù)。在理想射頻環(huán)境下，網(wǎng)關(guān)具備理論最大負(fù)載20%的數(shù)據(jù)傳輸超載能力，且超載條件下寫數(shù)據(jù)仍具有較小延遲以及100%上傳成功率。常規(guī)射頻環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包不超過(guò)200 B時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)每2 s上報(bào)一個(gè)數(shù)據(jù)包的丟包率為0。

實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)關(guān)模塊對(duì)通信干擾、頻道占用、數(shù)據(jù)擁塞具有很好的抵抗能力。網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定檢測(cè)傳送數(shù)據(jù)出錯(cuò)，并通知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重傳。在射頻干擾復(fù)雜、同頻設(shè)備過(guò)多的情況下，網(wǎng)關(guān)可能丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)包。

3.3 LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力調(diào)試

在開(kāi)闊地帶對(duì)LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

通信距離不小于1 km，采用30個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)單網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試：網(wǎng)關(guān)吞吐量不超過(guò)20%，丟包率小于5%，可穩(wěn)定重傳。

現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)60個(gè)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)網(wǎng)關(guān)，測(cè)試距離超3 km：在數(shù)據(jù)吞吐量不超過(guò)理論值20%的情況下，各子網(wǎng)均能夠正常獨(dú)立通信，丟包率下降到2%以下。

在以上系統(tǒng)壓力測(cè)試中，對(duì)任意一組網(wǎng)關(guān)進(jìn)行掉電操作，30 min后重新上電，系統(tǒng)可恢復(fù)正常運(yùn)行；在以上系統(tǒng)壓力測(cè)試中，對(duì)任意一組節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掉電操作，30 min后重新上電，系統(tǒng)可恢復(fù)正常運(yùn)行。在所有調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)模組休眠電流均小于2 μA。

表1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力調(diào)試

4 結(jié) 語(yǔ)

以LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，完成地災(zāi)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖5所示。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)LoRa技術(shù)完成低頻、高頻的雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。以自主設(shè)計(jì)LoRa協(xié)議為基礎(chǔ)，在遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)抗外擾影響的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定，同時(shí)集成有北斗定位等多種輔助功能，適用于大規(guī)模地災(zāi)監(jiān)測(cè)。

圖5 LoRa雙頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備