基于LoRa技術(shù)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與研究

王晨輝，郭 偉，楊 凱，孟慶佳

（1.電子科技大學(xué) 自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.自然資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071051；3.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴重的國家之一，近年來，頻繁發(fā)生的山體滑坡災(zāi)害對國民經(jīng)濟和人民群眾生命財產(chǎn)造成了嚴重威脅與損失。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，具有成本低、自組網(wǎng)、無人值守、可靠性強的特點，已逐步成為山體滑坡監(jiān)測最主要的技術(shù)手段。如王炘等提出了適用于貴州山體滑坡高發(fā)地區(qū)的無線傳感器自組網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，采用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合GPRS通信傳輸技術(shù)實現(xiàn)對災(zāi)害體的遠程監(jiān)測與預(yù)警預(yù)報。張波等基于LoRa-GPRS技術(shù)，提出一種針對滑坡災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。卜方玲等提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測方法，利用C8051F單片機和CC2520無線模塊構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體方案和網(wǎng)關(guān)設(shè)計方法，實現(xiàn)對山體局部重點區(qū)域的長期觀測。程建興等構(gòu)建斜坡土壤濕度和GPS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)測采集點土壤濕度值和經(jīng)緯度的位移變化對滑坡災(zāi)害進行報警。上述監(jiān)測方法為山體滑坡監(jiān)測提供了新的技術(shù)方法，取得了一定的研究成果。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有滑坡無線監(jiān)測系統(tǒng)存在組網(wǎng)速度慢、數(shù)據(jù)傳輸滯后、傳輸距離有限和功耗較大等缺點，不能實現(xiàn)對山體滑坡的大范圍、遠距離、自組網(wǎng)監(jiān)測，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)穩(wěn)定可靠傳輸。因此，本文針對西南山區(qū)的山體滑坡災(zāi)害，提出一種基于LoRa（Long Range）技術(shù)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸功耗低、組網(wǎng)快、傳輸距離遠的特點，構(gòu)建山體滑坡無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。本文系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場監(jiān)測終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點?，F(xiàn)場監(jiān)測終端節(jié)點可以實現(xiàn)對滑坡災(zāi)害體多種監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責(zé)接收現(xiàn)場監(jiān)測終端節(jié)點發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過匯總將數(shù)據(jù)打包經(jīng)4G移動網(wǎng)絡(luò)上傳至遠程云服務(wù)器。上位機采用基于C#語言開發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺，實現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時展示、數(shù)據(jù)分析及預(yù)警信息發(fā)布等功能。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的滑坡無線監(jiān)測系統(tǒng)具有部署輕便、組網(wǎng)快捷、功耗和成本可控等優(yōu)點，可以滿足野外惡劣環(huán)境下滑坡監(jiān)測預(yù)警需要，有效服務(wù)滑坡災(zāi)害防災(zāi)管理需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

滑坡監(jiān)測系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場監(jiān)測終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點兩部分，現(xiàn)場監(jiān)測終端節(jié)點由STM32L071RBT6微處理器、監(jiān)測傳感器（雨量、位移、傾角、加速度等）和LoRa傳輸模塊組成，STM32微處理器負責(zé)采集各個監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)并通過LoRa模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要包括STM32L071RBT6微處理器、LoRa模塊和4G全網(wǎng)通模塊等，STM32微處理器通過LoRa模塊接收各個現(xiàn)場監(jiān)測終端節(jié)點發(fā)送過來的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后通過串口，利用4G全網(wǎng)通模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，服務(wù)器中的上位機軟件完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的入庫、分析、處理、存儲、顯示和綜合預(yù)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

滑坡監(jiān)測系統(tǒng)按照監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程可以細分為現(xiàn)場傳感器監(jiān)測節(jié)點（終端節(jié)點）、傳感器數(shù)據(jù)接收節(jié)點和傳感器數(shù)據(jù)上傳節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）?，F(xiàn)場傳感器節(jié)點包括微處理器、LoRa模塊、雨量傳感器模塊、位移傳感器模塊、傾角傳感器模塊以及電源模塊等，監(jiān)測節(jié)點負責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并通過LoRa無線模塊發(fā)送到傳感器數(shù)據(jù)接收節(jié)點；傳感器數(shù)據(jù)接收節(jié)點與上傳節(jié)點位于網(wǎng)關(guān)節(jié)點，負責(zé)接收現(xiàn)場各個傳感器監(jiān)測節(jié)點發(fā)送過來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后打包發(fā)送至上傳節(jié)點；上傳節(jié)點通過4G全網(wǎng)通模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。

2.1 微處理器設(shè)計

微處理器采用STM32系列的32位超低功耗微控制器STM32L071RBT6。該處理器采用ARM公司的Cortex M0 32位RISC內(nèi)核，具備192 KB的閃存空間以及20 KB的SRAM和6 KB的EPROM空間，主要包括12位的ADC輸入通道、10通道定時器、7通道DMA控制和外接SPI接口，可以實現(xiàn)休眠、停機、待機三種低功耗工作模式，在物聯(lián)網(wǎng)低功耗領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

2.2 LoRa模塊選型與設(shè)計

LoRa無線模塊采用SEMTECH公司的SX1278射頻芯片，該芯片發(fā)射功率為30 dBm（1 W），支持LoRa擴頻和自組網(wǎng)技術(shù)，并且功率密度集中，抗干擾和抗阻塞能力強，傳輸距離可達8 km以上，適用于復(fù)雜環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)通信傳輸。

2.3 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)供電是通過太陽能電池板浮充磷酸鐵鋰電池實現(xiàn)，鋰電池參數(shù)為12 V/10 A·h。系統(tǒng)中需提供3.8 V，3.3 V兩種電源，3.8 V電壓由TPS54260-Q1轉(zhuǎn)換提供，TPS54260-Q1可實現(xiàn)3.5~60 V范圍內(nèi)的低功耗電壓轉(zhuǎn)換，最大可提供2.5 A輸出電流，適用于自動化控制領(lǐng)域內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換；3.3 V電壓由SPX5205轉(zhuǎn)換提供，該芯片外圍電路簡單，輸出電壓精度高。供電電路見圖2、圖3。

圖2 3.8 V電源電路原理圖

圖3 3.3 V電源電路原理圖

2.4 傳感器電路設(shè)計

雨量監(jiān)測傳感器電路設(shè)計非常簡單，主要是利用翻斗式雨量傳感器通過脈沖電壓值的方式轉(zhuǎn)化為開關(guān)量的輸出，微處理器通過計數(shù)的方式來獲取現(xiàn)場的降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)。位移傳感器電路主要是利用微處理器內(nèi)部的12位ADC電路來實現(xiàn)對位移數(shù)據(jù)的采集，通過位移傳感器電阻值的變化將采集的位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓值輸出。雨量和位移傳感器電路圖如圖4、圖5所示。

圖4 雨量傳感器電路原理圖

圖5 位移傳感器電路原理圖

2.5 終端節(jié)點設(shè)計

根據(jù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)特點，終端節(jié)點主要負責(zé)滑坡災(zāi)害現(xiàn)場各個監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)采集工作。終端節(jié)點一方面負責(zé)現(xiàn)場雨量傳感器、地表位移傳感器、傾角傳感器等數(shù)據(jù)的采集與控制；另一方面需要響應(yīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點下發(fā)的控制命令，負責(zé)將終端節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，進而完成對滑坡地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的實時數(shù)據(jù)采集與命令控制。終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責(zé)滑坡監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)自檢、命令控制和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚與上傳。終端節(jié)點通過LoRa無線自組網(wǎng)接收滑坡監(jiān)測范圍內(nèi)終端節(jié)點上傳的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT或4G全網(wǎng)通或北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)上傳至地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺；此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可實現(xiàn)與LoRa自組網(wǎng)內(nèi)任意終端節(jié)點的雙向控制命令，可以隨時獲取終端節(jié)點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計參考RT-Thread嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，RT-Thread系統(tǒng)體積小、成本低、功耗低、啟動快速，已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過設(shè)計合理的多任務(wù)調(diào)度機制，可執(zhí)行對滑坡多監(jiān)測參數(shù)的并發(fā)式實時數(shù)據(jù)采集，并有效控制系統(tǒng)功耗，通過與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺的雙向控制，可實時喚醒現(xiàn)場終端節(jié)點，及時準確上傳滑坡災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.1 LoRa通信傳輸協(xié)議設(shè)計

本文設(shè)計了一套靈活多變的LoRa數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式，傳輸序列為二進制字節(jié)流，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性和準確性，在數(shù)據(jù)傳輸中采用CRC校驗算法對數(shù)據(jù)進行校驗。LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一旦創(chuàng)建，網(wǎng)關(guān)節(jié)點與終端節(jié)點之間就可以立即建立一對多的映射關(guān)系，本文選擇星型自組網(wǎng)來實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點之間的通信傳輸。LoRa模塊為終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點分別定義相應(yīng)的上傳數(shù)據(jù)幀和下發(fā)命令幀，上傳數(shù)據(jù)幀的幀頭為0x55，地址為終端節(jié)點設(shè)備地址，類型為監(jiān)測傳感器類型，長度為監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)長度，狀態(tài)包括正常和閾值兩重狀態(tài)，上傳數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。下發(fā)命令幀的幀頭為0xFF，數(shù)據(jù)內(nèi)容為被查詢的終端節(jié)點設(shè)備地址，下發(fā)命令幀結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 上傳數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖9 下發(fā)命令幀結(jié)構(gòu)

3.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點既要采集滑坡災(zāi)害現(xiàn)場各個監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)，還需通過LoRa自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)及接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點控制命令。終端節(jié)點接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點下發(fā)的控制命令后，首先對數(shù)據(jù)進行CRC校驗確保數(shù)據(jù)準確無誤；其次根據(jù)報文中幀命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，執(zhí)行完將相應(yīng)數(shù)據(jù)信息上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。終端節(jié)點軟件工作流程如圖10所示。

圖10 終端節(jié)點軟件工作流程

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點一方面與LoRa無線自組網(wǎng)通信，另一方面與4G全網(wǎng)通無線通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，其軟件設(shè)計流程如圖11所示。

圖11 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件工作流程

終端節(jié)點接收到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺控制命令或終端節(jié)點上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)時，也會對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行CRC校驗確保數(shù)據(jù)準確無誤；同時通過控制命令，判斷是信息管理平臺下發(fā)的報文還是終端節(jié)點上傳的報文。如為下發(fā)報文，則通過設(shè)備號判斷是自己還是對終端節(jié)點操作；如為上傳報文，且對接收的數(shù)據(jù)CRC校驗正確，則通過4G移動通信網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器。

3.4 上位機軟件設(shè)計

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺用來存儲、顯示、查詢、分析和處理現(xiàn)場采集到的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)。上位機軟件利用Visual Studio開發(fā)平臺完成，通過C#.Net的窗體應(yīng)用程序開發(fā)相應(yīng)的軟件模塊，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺的主要功能為設(shè)備管理設(shè)置、數(shù)據(jù)檢索存儲、人機交互界面等，上位機功能模塊圖如圖12所示。

圖12 上位機功能模塊結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 系統(tǒng)測試部署

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成之后，為了有效驗證滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和設(shè)備功能性能是否達到設(shè)計要求，本文選取貴州省水城縣尖山營滑坡災(zāi)害點作為野外測試驗證點。尖山營滑坡屬于構(gòu)造侵蝕而成的低中山至中低山地貌，斜坡北東面與南面臨空，以山脊線為分界線，平面上呈大角度的“V”字形，陡崖斜坡地帶分布區(qū)域為0.20 km，陡崖長度約1 300 m，寬約150 m，最高點為1 526 m。在該滑坡共部署5套監(jiān)測設(shè)備，編號分別為EI19001~EI19005，EI19001作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)監(jiān)測該滑坡區(qū)域內(nèi)降雨量情況，此外還負責(zé)獲取現(xiàn)場其他終端節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，EI19002~EI19005作為終端節(jié)點負責(zé)監(jiān)測該滑坡區(qū)域內(nèi)4處關(guān)鍵地表裂縫的變化情況。監(jiān)測設(shè)備部署示意圖如圖13所示。

圖13 監(jiān)測設(shè)備部署示意圖

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

野外測試中設(shè)計部署了4個監(jiān)測點，分別設(shè)置在滑坡不同的形變區(qū)域，測試過程主要是驗證本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，LoRa無線自組網(wǎng)通信方式能否滿足滑坡大范圍通信需求，能否實現(xiàn)準確可靠地獲取滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置低功耗變頻工作模式和采集觸發(fā)工作模式。低功耗變頻工作模式指微處理器主頻由16 MHz降至65 kHz，各個功能模塊處于低速運行，系統(tǒng)定時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)；采集觸發(fā)工作模式為微處理器打開實時監(jiān)聽模式，實時監(jiān)測各個監(jiān)測參數(shù)的變化情況，一旦超過設(shè)定的閾值，立即啟動數(shù)據(jù)通信接口，上傳實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取2019年12月15日至2020年9月10日近9個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)分析。初步設(shè)置系統(tǒng)的工作模式為定時回傳間隔為1 h一條，同時開啟數(shù)據(jù)采集端口觸發(fā)回傳模式，雨量觸發(fā)回傳閾值設(shè)為0.2 mm，位移觸發(fā)回傳閾值設(shè)為20 mm。雨量、裂縫位移綜合分析曲線如圖14所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，滑坡地表裂縫位移的變化隨著降雨量的不斷增加呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，因此在雨季汛期要及時關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，有效對滑坡變形做出研判預(yù)測。

圖14 降雨量和位移綜合分析曲線圖

按照位移數(shù)據(jù)自適應(yīng)采集算法，位移終端節(jié)點回傳數(shù)據(jù)具有較高的實時性。每次觸發(fā)后，加密采集上傳間隔為1 s，加密回傳為3次。從上述數(shù)據(jù)中截取一塊數(shù)據(jù)對自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集算法進行驗證，EI04位移監(jiān)測點累計變化量達到2 255.6 mm，裂縫位移自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集曲線如圖15所示。從圖15可以看出，2020年9月3日4時6分37秒，EI04監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)由2 172.0 mm變?yōu)? 195.5 mm。由于超過預(yù)設(shè)閾值20 mm，觸發(fā)數(shù)據(jù)回傳機制，每隔1 s采集3個數(shù)據(jù)，證明監(jiān)測設(shè)備可實時有效監(jiān)測滑坡地表裂縫形變。

圖15 裂縫位移自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集曲線圖

5 結(jié)論

本文提出的基于LoRa技術(shù)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的遠程實時監(jiān)測，系統(tǒng)通過低功耗微處理器、遠距離LoRa無線傳感器自組網(wǎng)和4G全網(wǎng)通無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷動態(tài)采集，利用地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理平臺可實時查詢地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場具體監(jiān)測數(shù)據(jù)，為專家分析與決策提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。文中對系統(tǒng)的總體框架設(shè)計、硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計進行了詳細的介紹，系統(tǒng)具備功耗低、自組網(wǎng)、通信穩(wěn)定可靠及傳輸距離遠等技術(shù)特點，完全滿足地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。