LoRa通信技術(shù)在井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

魏靈恩

（山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009）

0 引 言

隨著我國(guó)能源消費(fèi)水平的迅速提高，各種能源資源日益緊張，地下自然資源開(kāi)采規(guī)模也隨之進(jìn)一步擴(kuò)大。在石油、煤礦以及天然氣等自然資源的開(kāi)發(fā)中，保障井下安全是各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)的重中之重。當(dāng)前，多數(shù)礦井和油井運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控井下作業(yè)環(huán)境，并通過(guò)各項(xiàng)重要環(huán)境參數(shù)的采集反映井下實(shí)時(shí)狀態(tài)，保障生產(chǎn)安全和作業(yè)效率的提高。從技術(shù)上看，當(dāng)前井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備多種實(shí)現(xiàn)方式，其結(jié)構(gòu)不同，原理各異，基本可以滿足小型礦井的監(jiān)控需求。然而，這些采集系統(tǒng)普遍存在采集效率低、數(shù)據(jù)傳輸不可靠、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及通信距離短等問(wèn)題。LoRa是近年開(kāi)始流行的一種新興通信技術(shù)，具備通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)與功率低等優(yōu)點(diǎn)，受到許多系統(tǒng)集成企業(yè)的青睞。筆者對(duì)LoRa通信技術(shù)在井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用展開(kāi)全面分析，并提出一種可靠且具有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的LoRa井下數(shù)據(jù)采集方案。

1 LoRa通信技術(shù)的特點(diǎn)

LoRa通信技術(shù)建立在已發(fā)展成熟的數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)等傳統(tǒng)無(wú)線電調(diào)制解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它不但吸收了上述技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)，還有著自身的明顯優(yōu)勢(shì)，性能相較傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)有了很大的進(jìn)步。在同一性能要求前提下，LoRa通信技術(shù)需要的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)技術(shù)，且可以滿足長(zhǎng)距離傳輸，避免中繼設(shè)備的引入，在成本上做到很好的控制，因而在各數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用[1]。從技術(shù)上看，LoRa通信技術(shù)主要具有如下特點(diǎn)。

1.1 傳輸距離遠(yuǎn)

傳輸距離與系統(tǒng)的帶寬利用率、信噪比、發(fā)射功率以及環(huán)境條件等因素息息相關(guān)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)上述因素的有效控制，LoRa通信技術(shù)采用當(dāng)前較先進(jìn)的擴(kuò)頻通信方案，促使有限的通信帶寬資源發(fā)揮出了更大的效用，有效改善信噪比，進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量，從而使信號(hào)的傳輸距離變得更遠(yuǎn)。傳統(tǒng)RF無(wú)線發(fā)射技術(shù)可達(dá)到的信號(hào)傳輸距離通常為1～2 km，如需要進(jìn)一步提高傳輸距離，必須增加中繼設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本大大提高，也不利于系統(tǒng)維護(hù)。在相同條件下，LoRa通信技術(shù)可將信號(hào)傳輸距離提高到5 km，無(wú)需任何中繼設(shè)備的支持，這是傳統(tǒng)眾多通信技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異性能。

1.2 傳輸功耗低

LoRa通信技術(shù)在原理上和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上皆進(jìn)行許多優(yōu)化，其中，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的采用使其應(yīng)用設(shè)計(jì)變得十分靈活，可靠性得到有效提高，即使在噪聲水平達(dá)20 dB環(huán)境下,通信質(zhì)量和性能仍基本未受到影響，繼續(xù)保證可靠的聯(lián)網(wǎng)。在LoRa通信系統(tǒng)中，由于LoRa的傳輸速率主要取決于擴(kuò)頻因子的大小，只要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整就能夠輕易實(shí)現(xiàn)速率的改變。LoRa的發(fā)射功率也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)技術(shù)，在低功耗的性能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1.3 抗干擾性強(qiáng)

擴(kuò)頻通信技術(shù)本身具備較好的抗干擾能力，可將有限的帶寬資源通過(guò)擴(kuò)頻的方式進(jìn)一步提高其利用率。LoRa技術(shù)充分吸收擴(kuò)頻通信技術(shù)的這一優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)一步提升自身的抗干擾能力。其抗干擾原理為：利用接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理，后再將其還原，在此過(guò)程中可有效避免干擾信號(hào)的作用。LoRa通信技術(shù)在遠(yuǎn)距離傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上也是得益于其超強(qiáng)的抗干擾能力，可保證在長(zhǎng)距離傳輸中信號(hào)不失真。

2 LoRa通信技術(shù)的原理

在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的背景下，LoRa技術(shù)的成功應(yīng)用為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展增添活力。LoRa技術(shù)通過(guò)充分發(fā)揮前向糾錯(cuò)編碼和擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的作用，使自身通信性能得到質(zhì)的提升。其中，前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)可以在待發(fā)送數(shù)據(jù)流中插入冗余字節(jié)，這些字節(jié)直接反映原數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特征，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，接收方便可通過(guò)這些冗余碼及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾錯(cuò)，從而保證信號(hào)傳輸不會(huì)出錯(cuò)。LoRa技術(shù)可以保證傳輸?shù)綌?shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中的信號(hào)均為高質(zhì)量信號(hào)。擴(kuò)頻調(diào)制設(shè)備則計(jì)算出當(dāng)前最優(yōu)的擴(kuò)頻因子，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，使有限的帶寬資源得到最充分的利用。數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩撕筮M(jìn)行相反的運(yùn)算過(guò)程即解調(diào)，達(dá)成遠(yuǎn)距離、低功耗和大容量傳輸?shù)哪康腫2]。

3 LoRa數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)與器件選型

筆者提出一套基于LoRa通信技術(shù)的井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，做到大量高性價(jià)比的模塊單元的集成，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的高效采集。該系統(tǒng)主要由采集模塊、電源模塊、低功耗處理器、LoRa通信模塊、GPRS模塊以及輸入輸出接口等部分組成。

其中，LoRa無(wú)線通信模塊是系統(tǒng)的核心，其型號(hào)既要滿足數(shù)據(jù)采集要求，又不能過(guò)多地浪費(fèi)芯片內(nèi)部資源。在綜合考慮后，系統(tǒng)選用SX1276芯片。該芯片在長(zhǎng)距離通信方面有著極為突出的性能，且在抗干擾能力和低功耗方面也都明顯優(yōu)于同類器件。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，SX1276芯片已成為一款靈敏度高、相位噪聲小、選擇性好以及線性度好的無(wú)線通信模塊[3]。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸以SX1276芯片為核心，而系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集則以MSP430單片機(jī)為核心。MSP430是一款應(yīng)用廣泛的通用型高性能單片機(jī)產(chǎn)品，具備速度快、低功耗以及內(nèi)部資源豐富等特點(diǎn)。單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著“指揮中心”的作用，負(fù)責(zé)對(duì)所有傳感器發(fā)號(hào)施令?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器統(tǒng)一采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬電流信號(hào)，大小為4～20 mA，在轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后經(jīng)由485串口傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的通信框架，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能有著關(guān)鍵的影響?？紤]到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常存在一定的延時(shí)，且會(huì)用到大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，筆者構(gòu)建一種以LoRa為核心的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，LoRa與各單元模塊之間的通信可以做到靈活高效，且由于其通信距離較遠(yuǎn)，無(wú)需額外加裝中繼器，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，LoRa通信模塊和GPRS無(wú)線傳輸模塊集成在一起，構(gòu)成傳輸性能更加優(yōu)越的數(shù)據(jù)集中器，可同時(shí)建立多條通信鏈路（圖1中僅畫(huà)出其中一條），起到數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)一傳送的作用。單片機(jī)則通過(guò)內(nèi)部指令控制各采集模塊接收傳感器數(shù)據(jù)，再將其發(fā)送至LoRa模塊，后被調(diào)制為L(zhǎng)oRa信號(hào)，在Arduino平臺(tái)上向數(shù)據(jù)集中器匯集，運(yùn)用集中器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并由GPRS模塊借助通信4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，信號(hào)最終從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，并匯總到云平臺(tái)。用戶可通過(guò)web或app訪問(wèn)云端的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣井的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心組成部分，決定硬件系統(tǒng)的工作方式和系統(tǒng)運(yùn)行效率。單片機(jī)上電后首先會(huì)初始化自身的各種資源，使寄存器、定時(shí)器等資源恢復(fù)到原始狀態(tài)，清除無(wú)用數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備正式工作。之后，準(zhǔn)備就緒的單片機(jī)會(huì)向各采集模塊發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，現(xiàn)場(chǎng)采集模塊在接收到命令后，會(huì)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并將數(shù)據(jù)按原通信鏈路返回，單片機(jī)則根據(jù)通信鏈路的不同區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的來(lái)源，并對(duì)數(shù)據(jù)做好存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的有效性判斷后，數(shù)據(jù)將傳送至LoRa通信模塊，LoRa對(duì)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)施調(diào)制，然后由GPRS模塊調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，形成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。在單片機(jī)的控制下，系統(tǒng)會(huì)以一定的周期采集數(shù)據(jù)，源源不斷地為上位機(jī)提供原始數(shù)據(jù)，保證用戶實(shí)時(shí)掌握井下?tīng)顟B(tài)。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于引入了系統(tǒng)休眠機(jī)制?？紤]到采集模塊長(zhǎng)期處于井下環(huán)境，有時(shí)僅需要周期性采集井下數(shù)據(jù)即可，在不采集期間，電路大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)，此時(shí)可將系統(tǒng)切換為休眠狀態(tài)，最大程度減少系統(tǒng)的損耗。

4 結(jié) 論

LoRa技術(shù)作為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，是基于傳統(tǒng)的Zigbee、Wi-Fi以及藍(lán)牙等無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一次革命性進(jìn)步，使無(wú)線通信在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中的應(yīng)用更加廣泛。LoRa技術(shù)具備的優(yōu)勢(shì)與我國(guó)地下自然資源開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向相符，具有十分廣泛的市場(chǎng)前景。不難預(yù)測(cè)，LoRa技術(shù)在繼續(xù)加強(qiáng)遠(yuǎn)距傳輸、誤碼率低、抗干擾等性能的同時(shí)，也將不斷改善速率低、容量小以及實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，以滿足日益發(fā)展的井下數(shù)據(jù)采集要求，并不斷朝向大型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)挺進(jìn)，成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)中的核心通信組件。