基于LoRa自組網(wǎng)的鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

龔結(jié)龍

（中電海康集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

近些年國家各主要城市均在建設(shè)城市地鐵工程，其安全質(zhì)量一直是國家有關(guān)部門再三強(qiáng)調(diào)的主題。為確保施工過程的安全，目前大多數(shù)地鐵基坑工程中的應(yīng)力數(shù)據(jù)采集多采用局部測量、定時采集的方式。這類基坑在施工過程中，數(shù)據(jù)采集及分析具有局限性，監(jiān)測效率低，需要間隔一定時間對一些鋼梁進(jìn)行抽查，實(shí)時性不高，測試誤差也較大[1]。如何準(zhǔn)確地將鋼支撐受力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，供相關(guān)人員參考分析、提前預(yù)警、降低工程風(fēng)險，避免發(fā)生重大工程事故是一個亟待解決的課題。

鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。地鐵鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控中心服務(wù)器、WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）主控制器、WSN路由器、WSN采集器以及應(yīng)力傳感器（振弦式反力計）組成，其核心是基于自主知識產(chǎn)權(quán)的WSN協(xié)議棧搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]。本文主要介紹無線傳感網(wǎng)設(shè)計及其硬件設(shè)備的開發(fā)，監(jiān)控中心服務(wù)器上位機(jī)部分在該項(xiàng)目中不做細(xì)致闡述。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由WSN主控制器、WSN路由器以及WSN采集器構(gòu)成，具有自組織、自維護(hù)功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

WSN采集器將采集到的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)、電池電量以及溫度等通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳到WSN主控制器，并由主控制器匯總后采用以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機(jī)客戶端軟件，寫入數(shù)據(jù)庫。Web服務(wù)器向用戶提供數(shù)據(jù)顯示、報表、統(tǒng)計等功能，實(shí)現(xiàn)對鋼支撐應(yīng)力的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。

1 總體設(shè)計

1.1 WSN基礎(chǔ)平臺方案

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征，結(jié)合開放系統(tǒng)互聯(lián)基本參 考 模 型（Open Systems Interconnection Reference Model，OSI）的7層協(xié)議棧模型和TCP/IP的4層協(xié)議棧模型，同時根據(jù)市場和應(yīng)用的實(shí)際需求對WSN協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計[3]?？紤]到WSN的計算資源和存儲資源十分有限，且通常數(shù)據(jù)傳輸率不高，因此不設(shè)計傳輸層，僅將該協(xié)議棧劃分為4層。協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 WSN協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

WSN協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)：

（1）物理層（Physical Layer，PHY）：提供簡單且健壯的信號調(diào)制解調(diào)、加解密、自適應(yīng)頻段切換和無線收發(fā)技術(shù)。

（2）媒體訪問控制層（Medium Access Control Layer，MAC）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問控制。

（3）網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer，NWK）：具有自組網(wǎng)、自維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能。

（4）應(yīng)用層（Application Layer，APL）：提供面向用戶的各種應(yīng)用服務(wù)[4]。

1.2 關(guān)鍵點(diǎn)分析

關(guān)鍵點(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)低功耗處理，節(jié)點(diǎn)上報采集點(diǎn)信息時的免碰撞機(jī)制以及時隙計算機(jī)制。節(jié)點(diǎn)路由選擇將策略優(yōu)化、時隙分配機(jī)制、時鐘同步機(jī)制、節(jié)點(diǎn)加網(wǎng)機(jī)制與低功耗處理流程相結(jié)合[5]。

1.3 組網(wǎng)設(shè)計

本文以某地鐵鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測項(xiàng)目需求為例，從用戶方提出的鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍以及節(jié)點(diǎn)個數(shù)出發(fā)，設(shè)計系統(tǒng)最大路由深度為5，最大子節(jié)點(diǎn)個數(shù)為100，最大路由個數(shù)為10，可完全滿足設(shè)計要求。路由器組網(wǎng)采用目前的組網(wǎng)方式，采集器組網(wǎng)需要增加低功耗處理機(jī)制。采集器組網(wǎng)應(yīng)設(shè)定組建周期（如1 s），以便估算采集器生命周期。采用當(dāng)前處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)以及鏈路檢測機(jī)制，但維護(hù)中數(shù)據(jù)傳輸必須基于時隙。

1.4 同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)

由于網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際接入的節(jié)點(diǎn)個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0xFFFF，如果以0xFFFF為系統(tǒng)中接入節(jié)點(diǎn)的個數(shù)劃分時間片，會導(dǎo)致時間片劃分過細(xì)，大量有效時間片無法被有效利用，而如果同一個父節(jié)點(diǎn)下連續(xù)時間片相對較多，會使得同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)難度增大。本方案中考慮采用實(shí)際接入節(jié)點(diǎn)劃分時間片。假設(shè)系統(tǒng)中實(shí)際接入節(jié)點(diǎn)個數(shù)為100，則將發(fā)送周期定為20 min，其中競爭周期定為10 min，同步周期定為10 min（上述周期定義可以根據(jù)實(shí)際測試結(jié)構(gòu)分配）。因此，時間片為10×60 s/100=6 s。

按照同步誤差為2 s計算時，能夠加入的子節(jié)點(diǎn)個數(shù)為10×60/2=300個，滿足設(shè)計要求。

系統(tǒng)中所有同步均是分級同步，即子節(jié)點(diǎn)通過父節(jié)點(diǎn)時鐘實(shí)現(xiàn)同步。同步數(shù)據(jù)幀采用直接發(fā)送與中斷直接處理相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層對等，但采用跨層直接處理方式。采集器節(jié)點(diǎn)同步時間定義在數(shù)據(jù)幀上傳到父節(jié)點(diǎn)后立即等待同步數(shù)據(jù)幀，因此路由節(jié)點(diǎn)的同步必須在同步周期前完成。

劃分時間片時，路由節(jié)點(diǎn)時間片定義在同步周期的開始階段。路由器同步周期內(nèi)主要實(shí)現(xiàn)鏈路檢測和時鐘同步。主控在時間片內(nèi)主要在單跳范圍內(nèi)發(fā)送時鐘同步命令幀，用于其子路由節(jié)點(diǎn)的時間同步（同步備份）。

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，將系統(tǒng)周期定義為同步周期和競爭周期，用Tsys表示，單位為s。由于系統(tǒng)中采用實(shí)時時鐘表征系統(tǒng)運(yùn)行時間，且最小單位為s，因此定義系統(tǒng)周期最小單位亦為s。例如：若系統(tǒng)周期Tsys定義為20 min，則系統(tǒng)周期起始時刻定義為**小時00分00秒、**小時20分00秒以及**小時40分00秒。

在同步周期中，每個節(jié)點(diǎn)均有一個時間片來傳輸有效數(shù)據(jù)，且同步周期按照時間片的先后順序，劃分為主控制器時隙、路由器時隙和采集器時隙。

同步周期中時間片劃分方式：當(dāng)前的無線能耗監(jiān)測系統(tǒng)中，主控制器端需要保存每一個節(jié)點(diǎn)設(shè)備（包括路由器、采集器）信息，且主控制器端需維護(hù)一張節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息表，該表被保存在主控制器RAM中（資源充足時），同時也在非易失性存儲器（E2PROM，F(xiàn)LASH）中備份。采用該設(shè)備信息表中的位置號作為每一個節(jié)點(diǎn)的時間片序號。在系統(tǒng)中，該時間片序號是唯一的，且有效位置可以通過算法控制為連續(xù)狀態(tài)。

上述時間片序號設(shè)置的特點(diǎn)如下：

（1）靈活：每一個設(shè)備新加入網(wǎng)絡(luò)后，均可由主控受理一個時間片序號，同時表征該設(shè)備在設(shè)備表中的位置。

（2）分配便捷，具有唯一性。

在子節(jié)點(diǎn)時隙中，由子節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送數(shù)據(jù)信息給父節(jié)點(diǎn)，然后等待設(shè)定接收窗口時間接收時鐘同步信息以及和父節(jié)點(diǎn)處理應(yīng)急事務(wù)。

1.5 系統(tǒng)周期實(shí)現(xiàn)

在鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)周期處理策略最為重要，其定義如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)周期

系統(tǒng)周期表示系統(tǒng)中所有設(shè)備在時間軸上周期性的工作模式。系統(tǒng)周期可劃分為競爭周期和同步周期。

競爭周期：系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均可在競爭周期中采用CCA機(jī)制進(jìn)行通信。目前在競爭周期中主要傳輸采集器報警信息，以及采集器和路由器入網(wǎng)流程。

主控時隙功能：主控制器發(fā)送時鐘同步命令幀以及參數(shù)修正命令幀等。該時隙由主控制器主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)均不能發(fā)送數(shù)據(jù)幀（沒有同步的節(jié)點(diǎn)除外）。

路由器時隙：路由器收發(fā)數(shù)據(jù)時間片，用來進(jìn)行時鐘同步和鏈路檢測及與主控制器之間的信息交互。

采集器時隙：該時隙用于采集器與其父節(jié)點(diǎn)以及主控制器通信。如果采集器已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)并且與主控制器同步，則首先在該時隙內(nèi)發(fā)送鏈路檢測命令幀并完成鏈路檢測。

節(jié)點(diǎn)啟動后，獲取系統(tǒng)周期相關(guān)參數(shù)。獲取方式如下：

（1）若節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)周期參數(shù)已配置完成，則直接以上述參數(shù)為準(zhǔn)執(zhí)行后續(xù)流程；

（2）若節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)周期參數(shù)未完成配置，則采用默認(rèn)系統(tǒng)周期參數(shù)為準(zhǔn)執(zhí)行后續(xù)流程。

為了系統(tǒng)周期實(shí)現(xiàn)方便及減少RF通信過程，本系統(tǒng)周期起始時間定義：系統(tǒng)周期起始時間定義為**時00分00秒，因此系統(tǒng)周期最好設(shè)計為單位小時內(nèi)具有整數(shù)個完整的系統(tǒng)周期。采用上述定義方式后，節(jié)點(diǎn)就可以通過RTC時間計算系統(tǒng)周期起始時間。

1.6 時隙處理流程

節(jié)點(diǎn)在時隙內(nèi)主要完成如下工作：

（1）數(shù)據(jù)采集及上報（直接向主控制器發(fā)送）；

（2）節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)時鐘同步；

（3）節(jié)點(diǎn)信息主動上報（可選）；

（4）計算喚醒時間并進(jìn)入低功耗模式。

采集器節(jié)點(diǎn)在時隙內(nèi)處理流程如圖4所示。

圖4 時隙處理流程

1.7 上位機(jī)與主控制器時鐘同步處理流程

上位機(jī)每半小時對主控制器時鐘進(jìn)行一次同步，啟動時鐘同步流程時間最好以系統(tǒng)時間為準(zhǔn)（即定義**時00分 **時30分進(jìn)行校時），不以運(yùn)行時間為準(zhǔn)，且上位機(jī)客戶端啟動并與主控制器連接成功后，將立即執(zhí)行時鐘同步流程，并輸出校時成功信息以便調(diào)試。上位機(jī)與主控制器同步處理過程如圖5所示。

1.8 速率自適應(yīng)機(jī)制

本文的RF傳輸技術(shù)采用LoRa。LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，這種傳輸方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供了一種能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而可擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)[6-7]。

圖5 上位機(jī)與主控制器同步處理

LoRa技術(shù)支持SF7～SF12共6種速率的LoRa信號，當(dāng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)入網(wǎng)但接收不到回復(fù)時，將主動調(diào)節(jié)擴(kuò)頻因子SF為其他值，然后再次發(fā)送入網(wǎng)請求/傳輸數(shù)據(jù)，直到調(diào)整到一個收發(fā)準(zhǔn)確率較高的數(shù)據(jù)傳輸速率為止。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 RF模塊

RF模塊分為網(wǎng)關(guān)RF模塊和節(jié)點(diǎn)RF模塊。

網(wǎng)關(guān)RF芯片采用Semtech公司設(shè)計生產(chǎn)的基于LoRa調(diào)制的基帶芯片SX1301，它的目標(biāo)是為廣域范圍的眾多無線節(jié)點(diǎn)提供健壯的星型基站。SX1301有一些關(guān)鍵的技術(shù)特征，包括高達(dá)-142.5 dBm的接收靈敏度、49個LoRa“虛擬”通道和ADR技術(shù)。IF0～I(xiàn)F7的LoRa通道帶寬固定為125 kHz，每個通道都可以設(shè)置中心頻率，接收SF7～SF12共6種速率的LoRa信號[8]。

節(jié)點(diǎn)中所用的RF主芯片為SX1276/SX1278，該芯片相比SX1301，只支持一個SF通道。通常用于超長距離擴(kuò)頻通信的節(jié)點(diǎn)設(shè)計，抗干擾能力強(qiáng)，能夠最大限度地降低電流損耗[9]。

2.2 主控制器設(shè)計

WSN協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)其管理范圍內(nèi)的WSN路由器以及WSN采集器的組織和維護(hù)，負(fù)責(zé)應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)匯總，并提供移動接入（GPRS，CDMA，WCDMA）等接口，將WSN采集器采集的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)信息上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器。

主控制器選用TI公司設(shè)計生產(chǎn)的以AM335x為核心處理器的ARM Cortex-A8平臺[10]，外加以太網(wǎng)接口和3G模塊構(gòu)成上行鏈路，通過上行鏈路，主控制器可接入互聯(lián)網(wǎng)；主芯片與RF芯片SX1301采用SPI接口通信，作為下行鏈路，與網(wǎng)絡(luò)中的路由器通信，該部分中的實(shí)時時鐘作為通信中的時鐘同步使用，借助E2PROM存儲參數(shù)信息。協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖

2.3 路由器設(shè)計

WSN路由器負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)幀路由轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及范圍，采用不同數(shù)目的WSN路由器組建WSN基干網(wǎng)，負(fù)責(zé)WSN協(xié)調(diào)器與WSN采集器之間的數(shù)據(jù)交互。由WSN路由器組建的WSN基干網(wǎng)覆蓋了該子網(wǎng)中的所有WSN采集器，并提供自維護(hù)、自修復(fù)的通信鏈路。

路由器采用Semtech公司設(shè)計生產(chǎn)的STM32L051x作為核心處理器，與RF芯片SX1301通過SPI連接，與網(wǎng)絡(luò)中的上、下層設(shè)備通信。實(shí)時時鐘做通信中的時鐘同步之用，E2PROM用來存儲一些重要信息。同時還預(yù)留有復(fù)位按鍵、串行通信口、LED指示燈等交換接口。市電經(jīng)AC-DC模塊轉(zhuǎn)換成所需電壓后為路由器供電，其框架如圖7所示。

圖7 路由器框架圖

2.4 采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

WSN采集器負(fù)責(zé)與其連接的應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)采集和上傳，及該監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析以及報警狀態(tài)指示。結(jié)構(gòu)外殼與路由器相仿，不同之處在于采集器由于基坑內(nèi)無法取電，只能依靠電池供電，且需要維持一定時間不能拆卸，因此低功耗設(shè)計是該部分需要重點(diǎn)考慮的問題。除了算法有差異，硬件也需要仔細(xì)設(shè)計評估。圖8所示為采集器的實(shí)現(xiàn)框圖，與路由器類似，采用1個STM32L051x單片機(jī)芯片作為主處理器[11]，以SPI接口方式控制射頻模塊進(jìn)行無線通信，輔以復(fù)位按鈕、RTC時鐘電路、E2PROM電路、溫度采集電路、電池電量采集電路、電源管理電路、應(yīng)力采集電路等。

圖8 采集器節(jié)點(diǎn)框圖

3 系統(tǒng)使用

3.1 設(shè)備形態(tài)

本文所設(shè)計的集中器、路由器和采集器的節(jié)點(diǎn)外觀如圖9所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

主控制器與客戶端軟件的連接通過主控制器與客戶端計算機(jī)的連接實(shí)現(xiàn)。連接方式包括以太連接、GPRS連接。當(dāng)主控制器安裝現(xiàn)場有以太接口時，推薦用戶采用以太接口。上位機(jī)界面如圖10所示。

圖9 設(shè)備形態(tài)

圖10 上位機(jī)顯示

采集器節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器工作后，會自動加入網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)后的拓?fù)鋱D如圖11所示。圖中將顯示已入網(wǎng)和未入網(wǎng)的設(shè)備?，F(xiàn)場裝置經(jīng)過正確安裝后，設(shè)備將全部正確入網(wǎng)。本文所設(shè)計的鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在具體場景中時，整體系統(tǒng)的性能還取決于應(yīng)力傳感器的精度，這些數(shù)據(jù)的采集在此不作討論。

圖11 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示設(shè)備入網(wǎng)情況

4 結(jié) 語

本文針對基坑安全施工要求，設(shè)計了基于LoRa自組網(wǎng)的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。所設(shè)計的WSN協(xié)議棧具有組網(wǎng)快、魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，為相關(guān)工地安全作業(yè)提供了更好的保障。該系統(tǒng)具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，能夠應(yīng)用于其他相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的項(xiàng)目中。