基于LoRa與北斗短報文通信的監(jiān)測系統(tǒng)

黃 毅，沈向前，謝 翔

（1.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410007；2.湖南省礦山安全智能化監(jiān)控技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007；3.長沙市工程災(zāi)害智能監(jiān)控與防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007）

0 引 言

地質(zhì)災(zāi)害是由地殼運動或人為活動等作用引起的地質(zhì)運動。巖土崩塌位移等自然災(zāi)害嚴重威脅著人們的財產(chǎn)和生命安全，因此防災(zāi)減災(zāi)成為了人們的必要活動。我國幅員遼闊，蘊含各種地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造，地理和氣候環(huán)境復(fù)雜，人類的一些生活和經(jīng)濟活動也導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境變得脆弱，進而催生了大量的自然災(zāi)害。為此，我國提出了“預(yù)防為主，防治結(jié)合，綜合治理”的方針，其中特別強調(diào)了對自然災(zāi)害預(yù)防工作的重視。我國主要的地質(zhì)災(zāi)害為滑坡和崩塌，其中最為嚴重的地區(qū)為西南地區(qū)。為了盡可能地降低地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，需要及時進行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。但我國西南很多地區(qū)為欠開發(fā)區(qū)域，通信和供電水平制約了常規(guī)在線監(jiān)測手段的發(fā)揮。此種情況下亟需一種低功耗、高功效的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)來彌補這一不足。

北斗衛(wèi)星通信擺脫了移動通信基站的限制，能夠在國內(nèi)任意地區(qū)實現(xiàn)信息交互，為偏遠地區(qū)提供了可靠的通信手段。北斗衛(wèi)星通信是我國自主研發(fā)的短報文通信手段，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、信息無盲區(qū)全覆蓋且安全可靠的特點。目前，北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)被大量應(yīng)用于電力、農(nóng)業(yè)、軍事等各行各業(yè)。雖然北斗短報文通信系統(tǒng)能保證地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)與外界的通信，但其通信的信息載量少。為此，本文研究通過LoRa自組網(wǎng)實現(xiàn)各個組件間自通信。

1 基礎(chǔ)原理

1.1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是以先進的傳感器、通信、數(shù)據(jù)處理、人工智能等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，主要由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等組成。通過對監(jiān)測范圍內(nèi)的地質(zhì)位移、土壤水分、降水量、溫濕度、水位等地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信息和氣象信息等進行統(tǒng)一化的監(jiān)測和管理，構(gòu)建一套集采集、分析和預(yù)警于一體的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。以此實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的精準感知、智能分析、精確預(yù)測和主動預(yù)警。

1.2 北斗短報文通信

北斗短報文通信是通過北斗衛(wèi)星實現(xiàn)的雙端全雙工通信，是我國基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)自主研發(fā)的獨有功能，能夠通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)信息的接收和發(fā)送。傳輸內(nèi)容可以包含漢字、字母或二者混合，使用便利。北斗短報文通信是基于終端ID編碼進行的，需要通信端擁有獨有的SIM卡，且該卡具有唯一性，能加密通信，有效預(yù)防信息泄露；其每次通信帶寬為78 B，通信頻次為1次/min。

1.3 LoRa無線通信

LoRa技術(shù)是一種兼具功耗低、通信距離遠特點的無線通信技術(shù)。該技術(shù)基于CSS調(diào)制技術(shù)，在保持低功耗的同時極大地擴大了通信范圍，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，其傳輸距離在郊區(qū)空曠地帶可達到15 km；工作頻率采用433 MHz、868 MHz、915 MHz全球免費頻段；調(diào)制方式基于擴頻技術(shù)和線性調(diào)制擴頻，具有前向糾錯能力；它的一個網(wǎng)關(guān)可以連接成千上萬個節(jié)點；傳輸速度可達10 Kb/s，完全滿足地災(zāi)信息的傳輸載量。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用場景環(huán)境為：電力供應(yīng)和常規(guī)通信手段未覆蓋的偏遠地災(zāi)隱患區(qū)域。

需解決的問題：電力供應(yīng)、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信、與外部通信、系統(tǒng)自管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與自分析。

基于LoRa與北斗短報文通信的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是一種便于在邊遠欠開發(fā)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。為了實現(xiàn)該方案，將自主設(shè)計一套智能通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。對于各個采集端，通過LoRa無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)各個模塊的信號中繼和數(shù)據(jù)交互，以及區(qū)域信號覆蓋和各個采集端和處理端的數(shù)據(jù)歸集；處理端收集各個采集端的信息并進行分析，獲得采集故障、預(yù)警和異常信息；同時處理端兼具網(wǎng)關(guān)功能，通過北斗短報文系統(tǒng)將處理端的預(yù)警和異常信息報送至上位機；上位機通過北斗短報文系統(tǒng)下發(fā)操作指令和設(shè)置更新給處理端，處理端再通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給采集端。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本文的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個部分組成。

感知層：主要負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境信息的采集，并對采集的信息進行分析和處理。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息有表面位移、內(nèi)部位移、浸潤線、降雨量、地聲等。在技術(shù)層面上，各種類型的傳感器技術(shù)都已經(jīng)非常成熟，能夠做到精準監(jiān)測。處理器采集各類型的傳感器數(shù)據(jù)并解析為可分析數(shù)據(jù)，各個處理器間通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)歸集和分析數(shù)據(jù)，并將采集故障和異常數(shù)據(jù)、預(yù)警信息通過北斗短報文通信推送至應(yīng)用層。

傳輸層：分為內(nèi)部交互層和外部推送層。各個采集處理器間通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。LoRa無線通信技術(shù)具有低功耗、遠傳輸距離特性，能較好地契合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點位的布設(shè)規(guī)律，一個傳感器的單次采集數(shù)據(jù)流量一般不超過100 B，LoRa無線通信的傳輸速率完全能夠滿足各傳感器間的數(shù)據(jù)傳輸要求。當(dāng)處理器進行數(shù)據(jù)的綜合歸集和分析后，發(fā)現(xiàn)采集故障、異常信息或觸發(fā)預(yù)警值，需要對外機進行推送，或需要在外部對監(jiān)測系統(tǒng)進行指令下達和設(shè)置更新。在邊遠地區(qū)的安全可靠、可實現(xiàn)的通信手段只有衛(wèi)星通信，本系統(tǒng)采用我國自主研發(fā)的北斗短報文通信，北斗短報文通信存在傳送速率小的問題，但其通信范圍全覆蓋，能確保感知層和應(yīng)用層之間信息的交互和通信中繼。

應(yīng)用層：主要有監(jiān)控中心和預(yù)警端兩部分。監(jiān)控中心對采集故障、異常數(shù)據(jù)和報警信息進行處理，及時對各個區(qū)域進行預(yù)警，同時根據(jù)異常信息及時調(diào)整和維護設(shè)備監(jiān)測。

2.2 硬件支持

為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要一個具有數(shù)據(jù)采集、處理器、LoRa無線通信、北斗短報文通信和電能管理等功能的低能耗硬件單元進行支撐，其硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計

2.3 軟件邏輯

系統(tǒng)的軟件邏輯如圖3所示。系統(tǒng)上電啟動后，對時間和各個模塊進行初始化；在達到設(shè)定的工作時間點時，系統(tǒng)自動喚醒，并進行通信狀態(tài)檢查；處理器向下屬各個傳感器下達采集指令并監(jiān)聽采集信息；通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)向中心處理器進行歸集，中心處理器對數(shù)據(jù)進行對比分析；通過特定協(xié)議將要發(fā)送的數(shù)據(jù)編輯為上傳文本，通過北斗短報文系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用層；系統(tǒng)進入休眠，等待下一個采集周期時間節(jié)點到達時自動喚醒并進行下一個采集處理環(huán)節(jié)。

圖3 系統(tǒng)的軟件邏輯

2.4 通信協(xié)議

為了減少上傳的數(shù)據(jù)量，設(shè)計一種新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議規(guī)則見表1所列。一個監(jiān)測量的發(fā)回須包含以下信息：

表1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)則

（1）參數(shù)編號：在感知層終端與應(yīng)用層進行統(tǒng)一，二者通過數(shù)據(jù)庫方法進行匹配后應(yīng)用；

（2）狀態(tài)符：為減少北斗短報文通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，規(guī)定回傳的信息都為必須信息，主要分為預(yù)報警0、數(shù)據(jù)異常1、采集異常2；

（3）參數(shù)值：在發(fā)生預(yù)報警和數(shù)據(jù)異常時需要附帶報警值和異常值。在終端將各個要發(fā)回的監(jiān)測量以78 B為最大值，通過起始符和結(jié)束符進行組合形成一次發(fā)送量的字符串。

3 結(jié) 語

針對邊遠地區(qū)無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不足，設(shè)計一種基于LoRa無線通信和北斗短報文通信的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)合LoRa無線通信技術(shù)的自組網(wǎng)、長距離傳輸、低功耗的特點以及北斗短報文通信全球廣覆蓋的特點，同時通過終端處理器實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的終端處理和初步分析以及關(guān)鍵信息的提取，將分析結(jié)果和預(yù)報警報送至應(yīng)用層，減少了上傳數(shù)據(jù)量。通過更低的建設(shè)和運營成本實現(xiàn)了邊遠地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息的實時更新，保證了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報警的及時性。