基于LoRa傳輸?shù)牡貫?zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

劉懿俊

（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。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[1-2]。地災(zāi)監(jiān)測(cè)具有多種方式，包括無人機(jī)、傳感器以及衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等，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)[3-4]。

數(shù)采系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，針對(duì)不同應(yīng)用需求，可以有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于需求簡(jiǎn)單、環(huán)境友好的單一應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定。然而，地災(zāi)監(jiān)測(cè)嚴(yán)苛的工作環(huán)境導(dǎo)致其對(duì)數(shù)采系統(tǒng)提出了諸多嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)要求：采樣頻率多樣性、數(shù)采系統(tǒng)孤立性、系統(tǒng)故障冗余性等[5-6]。Semtech公司發(fā)布的基于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），其接收靈敏度達(dá)-148 dBm，可確保網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。LoRa技術(shù)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[7]。LoRa技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)[8-10]。

本文以LoRa多頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)采系統(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)采集需求下，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)數(shù)采需求

1.1 采樣頻率多樣性

地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以一定面積的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)闇y(cè)量單位：每個(gè)測(cè)量單位內(nèi)部的不同地點(diǎn)具有不同的監(jiān)測(cè)傳感器，用以監(jiān)測(cè)不同的物理信息；同一傳感器在不同地質(zhì)環(huán)境條件下具有不同的監(jiān)測(cè)方式。不同的傳感器和不同的監(jiān)測(cè)模式要求數(shù)采系統(tǒng)具有多種采樣頻率，并可根據(jù)環(huán)境條件的變化實(shí)時(shí)改變采樣頻率。

1.2 數(shù)采系統(tǒng)孤立性

地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)環(huán)境多為無人區(qū)，不具備便利的交通條件與通信條件，監(jiān)測(cè)環(huán)境導(dǎo)致數(shù)采系統(tǒng)孤立，為系統(tǒng)維護(hù)、信息通信、能源供應(yīng)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1.3 系統(tǒng)故障冗余性

地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有3～5年的工作周期，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)不具備人工修檢條件；一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必會(huì)受到影響。因此數(shù)采系統(tǒng)必須具備良好的冗余性，保證在一般故障條件下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 頂層數(shù)采架構(gòu)

地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)采系統(tǒng)需要在廣闊的采集區(qū)域中對(duì)大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集。大量的數(shù)據(jù)采集工作僅由一個(gè)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控具有較大的難度，同時(shí)，信息擁堵對(duì)傳輸效率的影響將大大增加。為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度同步的實(shí)時(shí)采集，需建立多層級(jí)數(shù)采處理架構(gòu)，數(shù)采架構(gòu)為服務(wù)器-局域網(wǎng)關(guān)-節(jié)點(diǎn)-傳感器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)

（1）服務(wù)器一級(jí)數(shù)采總機(jī)；

（2）服務(wù)器下設(shè)N（N＞2）個(gè)局域網(wǎng)關(guān)；

（3）每個(gè)局域網(wǎng)關(guān)同時(shí)負(fù)責(zé)M（M≥30）個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制與數(shù)據(jù)傳輸工作；

（4）每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)P（P≥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。

在常態(tài)工作（非地災(zāi)狀態(tài)）下，節(jié)點(diǎn)首先對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與預(yù)處理，以低傳輸數(shù)據(jù)率向局域網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)關(guān)對(duì)下屬所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同樣以低數(shù)據(jù)傳輸速率向總機(jī)傳送數(shù)據(jù)。服務(wù)器總機(jī)面向N個(gè)局域網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)記錄，此時(shí)總服務(wù)器與各局域網(wǎng)關(guān)僅消耗了較小的通信帶寬就實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的低頻全局監(jiān)測(cè)。

在警戒工作（局部地災(zāi)狀態(tài)）下，當(dāng)局部地區(qū)發(fā)生明顯地災(zāi)變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理與分析。節(jié)點(diǎn)判斷異常地質(zhì)狀態(tài)后進(jìn)行實(shí)時(shí)高速率數(shù)據(jù)傳輸，局域網(wǎng)關(guān)以相同速率輸送數(shù)據(jù)。服務(wù)器和局域網(wǎng)關(guān)的部分帶寬用于其他節(jié)點(diǎn)的常態(tài)監(jiān)測(cè)，部分帶寬用于非常態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部地區(qū)的高頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在額定工況（全局地災(zāi)狀態(tài)）下，當(dāng)所有地區(qū)發(fā)生明顯地災(zāi)變化時(shí)，那么所有節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行全速率數(shù)據(jù)輸送。由于局域網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器帶寬有限，所有數(shù)據(jù)需降速傳輸，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全局中頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

不同工作狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率見表1所列。

表1 不同工作狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率

2.2 LoRa多頻傳輸設(shè)計(jì)

通過數(shù)采架構(gòu)設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)存在常態(tài)低頻監(jiān)測(cè)、局部高頻監(jiān)測(cè)、全局中頻監(jiān)測(cè)等三種監(jiān)測(cè)模式。

多頻段設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于防止信號(hào)之間的干擾以及數(shù)據(jù)傳輸造成的擁堵，根據(jù)地災(zāi)監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)LoRa雙頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括高速、中速和低速頻段，3種頻段的數(shù)采頻率分別為0.2 s/次、2 s/次和200 s/次。LoRa多頻段設(shè)計(jì)可以靈活地為同一局域網(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?shù)膿矶?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定。

采樣速率可通過上位機(jī)進(jìn)行人工主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)某一節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；也可通過節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行判斷，通過自動(dòng)控制算法實(shí)時(shí)改變。

（1）監(jiān)測(cè)的單位窗口時(shí)間內(nèi)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻繁，節(jié)點(diǎn)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)較弱時(shí)，節(jié)點(diǎn)自主調(diào)整為低速頻段。

（2）局域網(wǎng)關(guān)在帶寬允許的條件下，向服務(wù)器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。下設(shè)節(jié)點(diǎn)高速傳輸較多時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行間隔采集，使數(shù)據(jù)降速傳輸至服務(wù)器，避免數(shù)據(jù)擁堵。

LoRa多頻監(jiān)測(cè)控制與設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 LoRa多頻監(jiān)測(cè)控制與設(shè)計(jì)

2.3 故障監(jiān)測(cè)與診斷

地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需通過傳感器信號(hào)的變化對(duì)環(huán)境的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與判斷。但傳感器信號(hào)發(fā)生變化，不僅僅是由于地災(zāi)變化導(dǎo)致。傳感器出現(xiàn)信號(hào)突變的主要情況如下：

（1）正常模式：傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)突變，正常監(jiān)測(cè)到地災(zāi)變化，交送數(shù)據(jù)于上層節(jié)點(diǎn)；

（2）故障模式：無外力干擾情況下，傳感器發(fā)生故障，信號(hào)突變或無信號(hào)；

（3）損壞模式：無外力干擾情況下，傳感器硬件損壞，信號(hào)突變或無信號(hào)；

（4）破壞模式：地災(zāi)變化，外力導(dǎo)致傳感器發(fā)生故障，信號(hào)突變或無信號(hào)；

（5）斷網(wǎng)模式：節(jié)點(diǎn)或局域網(wǎng)故障，數(shù)據(jù)傳輸失敗。

在模式（2）和模式（5）情況下，可以通過故障診斷算法或重啟進(jìn)行恢復(fù)；在模式（3）和模式（4）情況下，由于傳感器硬件損壞，因此無法進(jìn)行系統(tǒng)自我恢復(fù)。故上層服務(wù)器接收到故障信號(hào)后，需通過進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)與控制，判斷傳感器提供的突變信號(hào)的實(shí)際信息與意義，以便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正確響應(yīng)。故障監(jiān)測(cè)與診斷流程如圖3所示。

圖3 故障監(jiān)測(cè)與診斷流程

（1）接收到1個(gè)傳感器的突變信號(hào)后，等待延時(shí)，判斷是否有其他傳感器存在信號(hào)突變；

（2）未接收到第二個(gè)突變信號(hào)，判斷監(jiān)測(cè)環(huán)境未發(fā)生地災(zāi)變化，則啟動(dòng)故障診斷子程序-A。

（3）接收到第二個(gè)突變信號(hào)后，判斷監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生地災(zāi)變化，節(jié)點(diǎn)及上層局域網(wǎng)開啟高頻采集模式，同時(shí)啟動(dòng)故障診斷子程序-B。

故障判斷子程序-A重啟傳感器后，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取，若數(shù)據(jù)仍未回復(fù)，則判斷傳感器硬件故障；若數(shù)據(jù)回復(fù)，則判斷傳感器軟件故障。故障判斷子程序-B監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)是否實(shí)時(shí)變化，無變化則判斷為受外界地災(zāi)環(huán)境影響導(dǎo)致傳感器硬件損壞，發(fā)出故障信號(hào)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

圖4所示為L(zhǎng)oRa節(jié)點(diǎn)控制盒內(nèi)部電路，所設(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，具備4G模塊和GPS擴(kuò)展能力。節(jié)點(diǎn)模塊同時(shí)負(fù)責(zé)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的三軸傾角傳感器、三軸振動(dòng)傳感器、溫度傳感器，確保所有傳感器的電源正常供電，數(shù)據(jù)采集工作正常開展。

圖4 節(jié)點(diǎn)控制電路

3.1 TCP連接壓力實(shí)驗(yàn)

所有網(wǎng)關(guān)同時(shí)通過TCP向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)通信能力與承壓能力。通過TCP心跳模式定時(shí)發(fā)送小數(shù)據(jù)包，每5 s發(fā)送1次確認(rèn)信號(hào)，檢測(cè)TCP連接是否正常，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸故障的回復(fù)能力。進(jìn)行3次長(zhǎng)時(shí)不間斷通信實(shí)驗(yàn)，壓力測(cè)試結(jié)果見表2所列。

表2 壓力測(cè)試結(jié)果

（1）一次實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行其他操作，僅進(jìn)行144 h的不間斷通信測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)未出現(xiàn)故障。

（2）二次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行24 h不間斷測(cè)試，人為干預(yù)通信模塊信號(hào)強(qiáng)度、電力供應(yīng)（降低信號(hào)強(qiáng)度與電力供應(yīng)）。通信對(duì)應(yīng)出現(xiàn)4次故障，通過故障診斷與控制，系統(tǒng)重啟并正常運(yùn)行4次。

（3）三次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行24 h不間斷測(cè)試，人為改變IP地址2次，通過故障診斷與控制，系統(tǒng)重啟并正常運(yùn)行2次。

通過測(cè)試，TCP連接與傳輸在硬件未完全失效的條件下，系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，并在一般故障條件下可自動(dòng)重啟恢復(fù)通信。

3.2 數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集程序會(huì)對(duì)每一個(gè)位置的傳感器進(jìn)行連續(xù)5次讀數(shù)，3次以上讀數(shù)正常時(shí)，才會(huì)返回讀取值，否則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)重啟。數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)見表3所列。

表3 數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)

對(duì)數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行壓力測(cè)試。一次、二次實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行低頻段、中頻段數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，無外界干擾條件下，系統(tǒng)正常進(jìn)行數(shù)采工作。三次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行高頻段采集，并人為短時(shí)間切斷傳感器數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)數(shù)采出現(xiàn)錯(cuò)誤，未能正確讀數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)重啟后重新開始數(shù)采工作。因此，在無外界影響硬件系統(tǒng)的條件下，數(shù)采系統(tǒng)可以進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 GPS通信實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)數(shù)采系統(tǒng)的定位可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，北斗衛(wèi)星搜索信號(hào)更強(qiáng)，衛(wèi)星數(shù)量更多，定位性能明顯優(yōu)于GPS系統(tǒng)。因此在數(shù)采系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先采用北斗系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)作為備份。實(shí)驗(yàn)接收衛(wèi)星信號(hào)平均值見表4所列。

表4 實(shí)驗(yàn)接收衛(wèi)星信號(hào)平均值

（1）第一次實(shí)驗(yàn)未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何人工干預(yù)，系統(tǒng)正常工作，無信號(hào)中斷情況。

（2）第二次實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)降壓供電，系統(tǒng)CPU雖然能夠正常工作，但GPS芯片由于電壓不足而停止工作，發(fā)生一次中斷。系統(tǒng)重啟后正常運(yùn)行。

（3）人為彎折GPS信號(hào)接收線，信號(hào)中斷。

由此可知，數(shù)采系統(tǒng)在無外界干擾影響系統(tǒng)硬件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定收發(fā)。天線與GPS模塊之間的饋線不能出現(xiàn)彎折，GPS模塊必須固定，避免天線故障對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造成影響。

3.4 LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力測(cè)試

在開闊地帶對(duì)LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同壓力測(cè)試，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高頻數(shù)據(jù)發(fā)送，測(cè)試單網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)下，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的情況。

（1）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20%，丟包率小于5%，并能穩(wěn)定重傳。

（2）在同一地點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)60個(gè)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)網(wǎng)關(guān)，測(cè)試距離保證在3 km以上：在數(shù)據(jù)吞吐量不超過理論值20%的情況下，各子網(wǎng)均能夠正常獨(dú)立通信，丟包率小于2%。

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

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力調(diào)試見表5所列。

表5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力調(diào)試

5 結(jié) 語

通過測(cè)試，TCP連接與傳輸、數(shù)據(jù)傳輸工作、GPS信號(hào)收發(fā)工作在硬件未完全失效的條件下，系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，并在一般故障條件下可自動(dòng)重啟恢復(fù)通信。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)。在不超過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)均能穩(wěn)定到達(dá)服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定檢測(cè)傳送數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)，并通知節(jié)點(diǎn)重傳。該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定，高度集成了北斗定位等多種輔助功能，適用于大規(guī)模的地災(zāi)監(jiān)測(cè)。