面向山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的LoRa數(shù)傳系統(tǒng)研制

吳藝豪，王洪輝，孟令宇，魏超宇，卓天祥，鐘 盼，劉 一

(1. 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059;2. 成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引 言

我國(guó)地質(zhì)與地理環(huán)境復(fù)雜，是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。根據(jù)相關(guān)資料顯示，在2009-2018年間，我國(guó)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害12萬余次，造成450余億的直接經(jīng)濟(jì)損失和8千余人傷亡[1]，嚴(yán)重影響了人民的正常生產(chǎn)生活，一定程度上制約了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。地質(zhì)災(zāi)害已成為當(dāng)前精準(zhǔn)扶貧事業(yè)中“因?yàn)?zāi)致貧、因?yàn)?zāi)返貧”的潛在風(fēng)險(xiǎn)之一。開展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究尤其顯得必要、迫切。

由于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)多在山區(qū)，地形復(fù)雜，有線數(shù)據(jù)傳輸十分困難，因此，無線傳輸是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速、可靠傳輸?shù)膬?yōu)選方式之一[2]。同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境惡劣，植被覆蓋多，供電不足、信號(hào)不穩(wěn)等問題也對(duì)無線傳輸系統(tǒng)造成了極大的挑戰(zhàn)。對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)獨(dú)立通信式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，多采用2G/3G/4G以及NB-IoT方式[3-4]，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，受限于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)在地形復(fù)雜環(huán)境下的不穩(wěn)定情況；SMS通道屬于信令信道，相較數(shù)據(jù)信道具有更高的優(yōu)先級(jí)，通過其傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有更優(yōu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，也有采用北斗短報(bào)文傳輸?shù)陌咐齕5-6]。然而，以上方法仍存在成本高、數(shù)據(jù)傳輸量小、耗電量大等問題（如表1所示）。

表1 常見無線通信方式對(duì)比

遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)（long range radio,LoRa）與Zigbee作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的代表技術(shù)，常用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組網(wǎng)。然而，Zigbee僅能支持百米內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，一般用于室內(nèi)場(chǎng)景或小規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。根據(jù)測(cè)試，LoRa具備更低的功耗和更廣泛的覆蓋范圍，能夠適用于復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸[8-9]。自2015年3月LoRa聯(lián)盟成立以來，目前聯(lián)盟成員已突破500家，包括芯片生產(chǎn)、傳感器生產(chǎn)、電信運(yùn)營(yíng)商等產(chǎn)業(yè)鏈[10]。同時(shí)，LoRa也在智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[11-15]。然而，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，仍未有成熟應(yīng)用。因此，本文通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了LoRa在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的數(shù)傳部分的適應(yīng)性及可行性，為復(fù)雜山地環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸提供一種新的可行方案。

1 數(shù)傳系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由匯聚主節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）、采集子節(jié)點(diǎn)兩部分組成。系統(tǒng)采用遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)（LoRa）作為通信手段，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)匯聚主節(jié)點(diǎn)對(duì)采集子節(jié)點(diǎn)的控制和監(jiān)測(cè)參數(shù)的匯聚。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集子節(jié)點(diǎn)主要包括供電系統(tǒng)、傳感器、控制器、調(diào)試接口及LoRa通信模塊，主要負(fù)責(zé)響應(yīng)匯聚主節(jié)點(diǎn)指令采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)。其中，監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)包括地表位移、降雨量及傾角，器件選型如表2所示[16]。

匯聚主節(jié)點(diǎn)主要包括供電系統(tǒng)、控制器、調(diào)試接口、NB-IoT/4G網(wǎng)絡(luò)模塊及LoRa通信模塊，以LoRa為通信鏈路，主要負(fù)責(zé)控制采集子節(jié)點(diǎn)，接收各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。借助NB-IoT/4G網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至預(yù)警平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的超遠(yuǎn)程傳輸。

2 數(shù)傳系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

控制器用于控制通信模塊并通過采集傳感器采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用片內(nèi)資源相對(duì)豐富、處理能力相對(duì)較強(qiáng)的STM32單片機(jī)（STM32F103），最高72 MHz的工作頻率以及內(nèi)部集成的AD模塊、串口及定時(shí)器等資源能夠極好地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.2 LoRa模塊

LoRa是低功耗廣域網(wǎng)（LP-WAN）的代表技術(shù)之一，其基于線性Chirp擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的FSK及OOK調(diào)制方式，具有更廣的有效覆蓋范圍和更高的接收靈敏度[17]。同時(shí)，前向糾錯(cuò)編碼（forward error correction,FEC）的應(yīng)用極大提高了其信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，AES128加密的加入也為數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩蕴峁┝吮Ｕ稀?/p>

主要特征包括：

1）遠(yuǎn)距離：接收靈敏度可達(dá)–148 dBm。

2）能耗低：接收電流 10 mA，發(fā)射電流 120 mA，休眠電流0.2μA。

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理。

4）成本低：終端芯片1.5～2美元。

本系統(tǒng)采用Semtech公司生產(chǎn)的SX1278無線模塊，其采用特殊的LoRa調(diào)制技術(shù)，可工作于137～525 MHz頻率范圍。而根據(jù)不同的工作頻段，需將接收天線電路連接至如表3所示的相應(yīng)射頻輸入引腳。根據(jù)中國(guó) ISM（industrial scientific medical band）頻段范圍，選擇頻段2作為工作頻段。同時(shí)，射頻輸入和射頻輸出通過射頻開關(guān)芯片共用天線。其余主要構(gòu)成部分包括晶振電路、通信接口、數(shù)字I/O，其外圍電路原理圖如圖2所示。

表3 射頻輸入引腳分配

圖2 SX1278外圍電路原理圖

2.3 電源模塊

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，受限于野外環(huán)境，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備通常采用太陽能電池板供電，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置往往難以保證良好的光照條件。本系統(tǒng)中，匯聚主節(jié)點(diǎn)能夠選擇性安裝于光照良好的區(qū)域，采用蓄電池與太陽能電池板混合供電，采集子節(jié)點(diǎn)則采用大容量鋰電池供電。同時(shí)，系統(tǒng)各模塊的供電由單獨(dú)的電源管理芯片控制，具體設(shè)計(jì)參數(shù)及電源芯片選型建議如表4所示。

表4 系統(tǒng)各電源模塊設(shè)計(jì)參數(shù)

3 控制程序設(shè)計(jì)

面向山區(qū)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)傳系統(tǒng)需要滿足一定的實(shí)時(shí)性，并且在系統(tǒng)空閑時(shí)盡可能保持休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗，以提高各節(jié)點(diǎn)的工作壽命。因此，控制程序采用了時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度策略，通過云端下發(fā)的采集指令或預(yù)設(shè)的采集周期喚醒相應(yīng)的采集子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與上傳。

3.1 程序模塊劃分

系統(tǒng)單片機(jī)控制程序分為匯聚節(jié)點(diǎn)控制程序和采集子節(jié)點(diǎn)控制程序。其中，采集子節(jié)點(diǎn)控制程序劃分為3個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)采集程序模塊、數(shù)據(jù)傳輸程序模塊及人機(jī)接口程序模塊（圖3（a））；匯聚節(jié)點(diǎn)控制程序劃分為兩個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)傳輸程序模塊及人機(jī)接口程序模塊（圖3（b））。其中，人機(jī)接口模塊供檢修使用，在正常工作時(shí)處于禁用狀態(tài)。

圖3 程序模塊劃分

3.2 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立后，系統(tǒng)將建立一對(duì)多的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。為識(shí)別各通信節(jié)點(diǎn)，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)均有SX1278射頻模塊所分配的網(wǎng)絡(luò)地址及設(shè)備自身的SN號(hào)。其中，匯聚主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址為0XFFFF，采集子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址范圍為0X1000-0XF000。在通信過程中，為保障不同類型的采集支點(diǎn)和通信基站的數(shù)據(jù)傳輸，定義統(tǒng)一的通信數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

圖4 LoRa傳輸格式

該格式為26位字符構(gòu)成，其中第2位到第14位為設(shè)備SN號(hào)，第16位到第19位為參數(shù)類型，第21位到第25位為采集參數(shù)。

SN號(hào)碼為13位數(shù)字組成，第1位到第3位為保留代碼，第4位到第7位為制造年份，第8位到第9位為傳感器類型代碼（見表5），第10位到第13位為設(shè)備編號(hào)，如圖5所示。

表5 設(shè)備類型

圖5 SN號(hào)碼格式示例

系統(tǒng)組網(wǎng)流程圖如圖6所示。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，采集指令由匯聚主節(jié)點(diǎn)向采集子節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)的定時(shí)采集。同時(shí)，云服務(wù)器也可通過4G/NB-IoT下發(fā)相應(yīng)的配置指令修改采集時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)及下發(fā)采集指令獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采集子節(jié)點(diǎn)在工作期間將保持休眠狀態(tài)，期間以2 s為周期間隔啟動(dòng)LoRa模塊，偵聽信道狀態(tài)。當(dāng)偵聽到喚醒前導(dǎo)碼后將通過外部中斷喚醒系統(tǒng)，采集相應(yīng)監(jiān)測(cè)參數(shù)之后發(fā)送數(shù)據(jù)至匯聚主節(jié)點(diǎn)，匯聚主節(jié)點(diǎn)則將相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，完成記錄與分析。

圖6 組網(wǎng)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試設(shè)備及方法

4.1.1 測(cè)試環(huán)境

為驗(yàn)證LoRa在山區(qū)復(fù)雜環(huán)境及密林中的通信效果，系統(tǒng)在四川省某泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警站進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。監(jiān)測(cè)區(qū)域包括兩條泥石流溝道，地形復(fù)雜，植被覆蓋茂密。在測(cè)試區(qū)域共選定2個(gè)匯聚主節(jié)點(diǎn)位（B101、B102）和7 個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)位（M101～M107），相對(duì)位置關(guān)系如圖7所示。其中，B102與M107之間相對(duì)最大高差為100 m，B101與M103之間非視距離為 816 m，B101與 M103、M104之間有山體阻隔，B102與M105之間存在泥石流攔石壩，M103處有密集的植被覆蓋。

圖7 測(cè)試點(diǎn)位相對(duì)位置示意圖

4.1.2 測(cè)試設(shè)備

為測(cè)試LoRa的實(shí)際通信效果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案為：將采集子節(jié)點(diǎn)放置于待測(cè)位置，進(jìn)入測(cè)試模式中，其將以30 s為周期向匯聚主節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，匯聚主節(jié)點(diǎn)在收到報(bào)文后回復(fù)應(yīng)答報(bào)文至采集子節(jié)點(diǎn)，采集子節(jié)點(diǎn)接收到應(yīng)答報(bào)文后比較兩項(xiàng)報(bào)文內(nèi)容以驗(yàn)證所傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過讀取SX1278模塊的內(nèi)部寄存器，獲得通信過程中的信號(hào)強(qiáng)度及SNR數(shù)據(jù)。本次測(cè)試主要為驗(yàn)證通信效果，未連接相關(guān)傳感器。

受限于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的安裝空間，采集子節(jié)點(diǎn)使用體積較小的10 dBi天線，匯聚主節(jié)點(diǎn)采用體積較大的35 dBi銅棒天線。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試時(shí)LoRa通信模塊的工作參數(shù)如表6所示。

表6 LoRa通信節(jié)點(diǎn)配置

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2.1 通信驗(yàn)證

數(shù)據(jù)丟包率及信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試能夠反映LoRa在山區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。通過在所選定的各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，取得的測(cè)試數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 LoRa信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)

由表7可得，根據(jù)不同的環(huán)境及距離，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量不盡相同。參與測(cè)試的7個(gè)節(jié)點(diǎn)中，M105的通信質(zhì)量弱于其他節(jié)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，M105與B102之間有泥石流攔石壩，對(duì)信號(hào)有一定的阻礙作用，故而LoRa的數(shù)據(jù)傳輸能力有所下降。總體上，設(shè)備平均丟包率為2%，最大丟包率為4%，能夠滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸需求。

4.2.2 功耗測(cè)試

為評(píng)估數(shù)傳節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送以及靜態(tài)工作時(shí)的功耗，使用優(yōu)利德UT804型臺(tái)式萬用表對(duì)處于連續(xù)發(fā)射狀態(tài)和休眠狀態(tài)的數(shù)傳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，在3.6 V供電條件下，LoRa在連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)的工作電流為138.29 mA，靜態(tài)休眠電流 54 μA（2000 ms），靜態(tài)偵聽最大電流 8.91 mA（80 ms），平均靜態(tài)電流為 0.39 mA。設(shè)計(jì)電池容量為19000 mAh，可保證其在待機(jī)狀態(tài)工作2029天。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用SX1278模塊組成了星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鞑杉庸?jié)點(diǎn)根據(jù)匯聚主節(jié)點(diǎn)所設(shè)定的監(jiān)測(cè)周期或服務(wù)器下發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指令動(dòng)態(tài)采集監(jiān)測(cè)指標(biāo)，改善了傳統(tǒng)單點(diǎn)獨(dú)立通信的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所面臨的運(yùn)行成本高、信號(hào)覆蓋不穩(wěn)定，工作電流大等問題，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的低成本傳輸。通過在某泥石流監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試，初步驗(yàn)證了該數(shù)傳系統(tǒng)在山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的通信能力及可靠性，可為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸提供參考。然而，考慮到災(zāi)害體所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜程度不一，今后可增加不同條件下的參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步驗(yàn)證LoRa數(shù)傳系統(tǒng)在山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的性能。