基于LoRa技術(shù)的節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)研究

樂 強(qiáng)，張 懷，袁久春，況 偉，朱 勇，何友才

(中國石油東方地球物理勘探公司西南物探分公司 四川 成都 610213 )

0 引 言

地球物理勘探技術(shù)向“兩寬一高”的高精度地震勘探方向發(fā)展，越來越多的地震勘探項(xiàng)目都采用了超大道數(shù)、高密度、寬區(qū)域的采集施工模式[1]。伴隨著設(shè)備使用量的增大，采集站、檢波器、電瓶等采集設(shè)備的工作狀況直接關(guān)系著采集數(shù)據(jù)的可靠性。同時，判斷外界環(huán)境狀況是否適合地震采集施工也是保障有效采集的重要因素。因此，如何利用監(jiān)控系統(tǒng)有效監(jiān)控采集設(shè)備的工作狀況及野外環(huán)境噪聲已成為有效保障采集質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

目前，常規(guī)使用的有線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可以通過大線連接的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。儀器操作員通過大線對野外設(shè)備狀況及環(huán)境噪聲進(jìn)行有效監(jiān)控，主要包含以下四方面：1)每天對所有設(shè)備進(jìn)行一次日檢，更換故障設(shè)備。2)實(shí)時了解野外設(shè)備連接狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)斷線、設(shè)備丟失情況。3)實(shí)時了解電瓶供電狀況，及時發(fā)現(xiàn)低電量電瓶并通知更換。4)實(shí)時了解野外噪聲狀況，選擇在低噪聲時段進(jìn)行有效施工。有線設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)能滿足對設(shè)備狀態(tài)及環(huán)境噪聲的監(jiān)控要求，已成為保障勘探施工質(zhì)量的有力手段。

目前，無線節(jié)點(diǎn)儀因其對高陡區(qū)域、城鎮(zhèn)區(qū)域以及地形復(fù)雜區(qū)域有更好的適應(yīng)性，已逐漸成為野外勘探設(shè)備的重要組成部分。因此，如何在無線節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目中有效監(jiān)控節(jié)點(diǎn)站工作狀況成為勘探設(shè)備發(fā)展中面臨的新課題。

1 現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)式地震儀器的特點(diǎn)

目前無線節(jié)點(diǎn)儀器因重量輕、體積小、無外接線纜、易攜帶、操作簡單等特點(diǎn)，已逐漸應(yīng)用于地震勘探領(lǐng)域[2-3]。相對于常規(guī)有線設(shè)備，節(jié)點(diǎn)儀器具有設(shè)備使用量更少，人力耗費(fèi)更少，野外適應(yīng)性更好，施工效率更高，生產(chǎn)成本更低以及更安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

但是無線節(jié)點(diǎn)儀的監(jiān)控方法目前主要依賴于無人機(jī)、施工人員到埋置點(diǎn)位附近獲取監(jiān)控信息。這種監(jiān)控方式時效性差，部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)站甚至處于“盲采”狀態(tài)[7]。相對于傳統(tǒng)有線設(shè)備完善的監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)設(shè)備自身監(jiān)控方法具有以下不足：1)無線纜連接。無線纜連接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)無法像有線設(shè)備通過金屬或光纖介質(zhì)進(jìn)行信號快速傳輸。2)低功耗的影響。由于節(jié)點(diǎn)儀通常需要連續(xù)施工25 d以上，設(shè)備總體低功耗需求不允許使用高功耗的無線通信方式。3)帶寬的影響。由于野外節(jié)點(diǎn)儀數(shù)量增多，傳輸信息量加大，無線通信終端受帶寬的影響無法像有線設(shè)備那樣獲取全面的數(shù)據(jù)信息。4)遠(yuǎn)距離的影響。由于野外節(jié)點(diǎn)儀覆蓋面積大，受距離因素?zé)o法實(shí)時獲取信息，特別是距離較遠(yuǎn)或地形較差的節(jié)點(diǎn)儀信息。

因此，節(jié)點(diǎn)儀的現(xiàn)有監(jiān)控方法無法滿足勘探項(xiàng)目提高施工質(zhì)量的需求，需要結(jié)合其自身特點(diǎn)設(shè)計適合的監(jiān)控系統(tǒng)，有效監(jiān)控節(jié)點(diǎn)站的工作狀況及環(huán)境噪聲，提高勘探采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 技術(shù)路線

本研究需要利用節(jié)點(diǎn)儀自身特點(diǎn)，解決野外節(jié)點(diǎn)站工作狀況及環(huán)境噪聲無法受到有效監(jiān)控的問題，需要達(dá)成以下目標(biāo)：1)遠(yuǎn)距離。監(jiān)控系統(tǒng)能擴(kuò)大監(jiān)控范圍，縮減基站數(shù)量，降低監(jiān)控成本。2)高可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)最大程度提高可靠性，降低軟件沖突概率，提高監(jiān)控質(zhì)量。3)完整的監(jiān)控內(nèi)容。能回傳所有節(jié)點(diǎn)站完整的監(jiān)控信息，包括具體的施工狀況信息、外界噪聲信息，方便施工人員進(jìn)行分析、整改與決策。

為達(dá)到以上設(shè)計目標(biāo)：首先，選擇最優(yōu)的通訊方式，設(shè)計合適的系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)的指令邏輯，以達(dá)到高質(zhì)量、遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。其次，對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，特別是硬件電路和軟件邏輯設(shè)計時，不僅需要實(shí)現(xiàn)回傳獲取完整的監(jiān)控內(nèi)容信息，還需要保障系統(tǒng)的高可靠性。最后，對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測試。節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

本研究需要設(shè)計一款全新節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)，能夠即時監(jiān)控有效范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)站。節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖2所示，中央控制系統(tǒng)通過控制軟件控制外部基站與外部節(jié)點(diǎn)站通信。外部基站通過合適的通信方式訪問控制外部節(jié)點(diǎn)站，獲取相關(guān)監(jiān)控信息。中央控制系統(tǒng)獲取節(jié)點(diǎn)站的相關(guān)監(jiān)控信息時，必須在間隔時段內(nèi)完整地獲取控制區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)站信息，以達(dá)到即時有效監(jiān)控的效果。由于中央控制系統(tǒng)以及基站目前有成熟產(chǎn)品，節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)主要研究外部節(jié)點(diǎn)站的監(jiān)控模塊硬件設(shè)計以及相關(guān)軟件設(shè)計。

圖2 節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

2.3 通信方法選擇

目前節(jié)點(diǎn)儀外部巡查主要通信方法為藍(lán)牙通信以及Wifi通信。藍(lán)牙通信支持實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙協(xié)議要求通信時必須由服務(wù)器一對一匹配客戶端，并建立聯(lián)系收放數(shù)據(jù)。Wifi通信創(chuàng)建于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)，支持無線設(shè)備鏈接無線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Wifi通信支持通信時服務(wù)器通過局域網(wǎng)與客戶端一對多的數(shù)據(jù)交換。相對于傳統(tǒng)通信方法，新型LoRa通信是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。LoRa通信的特色是遠(yuǎn)距離、低功耗、抗干擾特性好。通信方式對比見表1。

表1 通信方法對比表

與目前主流的Wifi通信、藍(lán)牙通信相比，LoRa通信具有以下優(yōu)勢：1)傳輸距離更遠(yuǎn)。相對于藍(lán)牙通信的小于10 m以及Wifi通信的300 m以內(nèi)，LoRa通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到5 km，復(fù)雜山地環(huán)境也能達(dá)到2 km級。2)功耗低。相對于Wifi通信，LoRa通信的低功耗保障了數(shù)據(jù)傳輸對節(jié)點(diǎn)站在野外工作時間影響更小[8]。3)抗干擾性好。相對于Wifi通信，LoRa通信的抗干擾能力更好，確保了獲取監(jiān)控信息的可靠性更好[9-10]。因此，選擇LoRa通信作為節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的通信方法。

2.4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

2.4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于LoRa技術(shù)的節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)總架構(gòu)如圖3所示，由中央控制服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)基站以及終端節(jié)點(diǎn)站三部分組成。中央控制系統(tǒng)為系統(tǒng)的指示模塊，主要負(fù)責(zé)發(fā)送命令指示以及收取監(jiān)控信息。網(wǎng)關(guān)基站為系統(tǒng)的關(guān)鍵中間節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)指令時，網(wǎng)關(guān)基站負(fù)責(zé)將獲取的中央控制系統(tǒng)指令批量完整地發(fā)送給所有終端節(jié)點(diǎn)站。網(wǎng)關(guān)基站需要保障指令發(fā)送過程中沒有丟包現(xiàn)象，而且所有節(jié)點(diǎn)站都能獲取指令。轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)終端需要接收外部節(jié)點(diǎn)站的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并在一定時間段內(nèi)判斷是否接收所有站數(shù)據(jù)。如有漏收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)終端需要重新接收該部分?jǐn)?shù)據(jù)。外部節(jié)點(diǎn)站為整個監(jiān)控系統(tǒng)終端，通過LoRa傳輸模塊與網(wǎng)關(guān)基站發(fā)起通信聯(lián)系。接收發(fā)布指令時，需要確保所有外部節(jié)點(diǎn)站通信模塊都能順序接收到網(wǎng)關(guān)基站轉(zhuǎn)發(fā)的指令?；貍鞅O(jiān)控數(shù)據(jù)時，需要確保所有外部節(jié)點(diǎn)站先得到網(wǎng)關(guān)基站已獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)的回傳信息，然后停止重復(fù)發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖3 節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)需要保障終端節(jié)點(diǎn)站收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸有序無沖突。中央控制系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)基站間通過成熟的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信連接。網(wǎng)關(guān)基站與終端節(jié)點(diǎn)儀的通信模塊之間通過LoRa協(xié)議進(jìn)行通信連接。通過系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，能完整解析整個系統(tǒng)的工作架構(gòu)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊需要實(shí)現(xiàn)的具體功能。

2.4.2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)基站與終端節(jié)點(diǎn)間的邏輯設(shè)計是總體設(shè)計中的關(guān)鍵。邏輯設(shè)計需要保障二者之間的通信沒有數(shù)據(jù)丟失以及指令沖突。在基于時分雙工原則前提下，本設(shè)計制定出基于LoRa物理層協(xié)議的通信協(xié)議方案。方案邏輯設(shè)計主要包含網(wǎng)關(guān)基站面向終端設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)指令時指令方式設(shè)計和終端設(shè)備向基站響應(yīng)時響應(yīng)方式設(shè)計。

網(wǎng)關(guān)基站面向所有終端設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)指令時，設(shè)計網(wǎng)關(guān)基站主要轉(zhuǎn)發(fā)2種指令：1)控制指令。此種指令發(fā)送后，終端設(shè)備接收判斷后不需要再次響應(yīng)。這種情況下網(wǎng)關(guān)基站只要轉(zhuǎn)發(fā)中央控制系統(tǒng)的指令就實(shí)現(xiàn)了對終端設(shè)備的批量控制。通常設(shè)備在正常工作情況下無需再回復(fù)響應(yīng)，占用信道。2)數(shù)據(jù)請求指令。此種指令發(fā)送后，終端設(shè)備接收到需要做出響應(yīng)。在這種情況下網(wǎng)關(guān)基站在做好中央控制系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)發(fā)同時，還要做好接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)回復(fù)的準(zhǔn)備。通常數(shù)據(jù)指令中包含終端設(shè)備回復(fù)順序，終端設(shè)備按設(shè)計順序進(jìn)行回復(fù)響應(yīng)。

終端設(shè)備接收到數(shù)據(jù)指令后，主要有2種響應(yīng)方式：1)立即響應(yīng)。這種響應(yīng)回復(fù)速度更快，但是所有設(shè)備同時響應(yīng)可能會造成網(wǎng)關(guān)基站的接收通道阻塞，大幅降低通信效率。通常在響應(yīng)是與非回復(fù)數(shù)據(jù)量小的情況下選擇此種響應(yīng)方式。2)次第響應(yīng)。按照數(shù)據(jù)指令的回復(fù)順序進(jìn)行依次響應(yīng)。這種響應(yīng)能避免不同終端間的信息沖突。通常在數(shù)據(jù)量響應(yīng)較大的情況下選擇這種響應(yīng)方式。通過系統(tǒng)邏輯設(shè)計，確保了整個系統(tǒng)工作邏輯指令清晰無沖突。

3 節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 系統(tǒng)電路設(shè)計

節(jié)點(diǎn)站通信模塊硬件電路設(shè)計如圖4和圖5所示，總體分為4個部分。首先，模塊通過LoRa芯片SX1278進(jìn)行物理層的無線數(shù)字通信調(diào)制，實(shí)現(xiàn)LoRa通信傳輸功能；其次，模塊通過LoRa芯片與芯片電源腳間的SF2136e型薄膜濾波器進(jìn)行有效濾波，濾除收發(fā)時串?dāng)_帶來的雜波噪聲，提高信號質(zhì)量；再次，模塊通過在電路天線前端添加PE4259射頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)了控制微波信號通道轉(zhuǎn)換作用，對電路進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)收發(fā)控制功能；最后，模塊通過添加LDO器件于芯片電源腳與電源供電電路之間提供電路穩(wěn)定性，提高模塊穩(wěn)定性。

圖4 LoRa主控電路原理圖

圖5 LoRa輔助電路原理圖

3.1.2 系統(tǒng)電路特點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)站通信模塊硬件電路具有以下五大特點(diǎn)。首先，硬件電路通信能力強(qiáng)。設(shè)計選擇SX127X系列中的SX1278芯片作為中控LoRa芯片。該芯片鏈路預(yù)算最大為168 dB，最大射頻輸出功率為20 dBm，靈敏度為-148 dBm，RSSI范圍寬達(dá)127 dB，最大能發(fā)送256個字節(jié)的數(shù)據(jù)包，具有強(qiáng)大的通信能力，能滿足設(shè)計需求。其次，在實(shí)現(xiàn)收發(fā)電路轉(zhuǎn)換同時最大程度降低功耗提高可靠性[11]。設(shè)計選用PE4259 型射頻開關(guān)為電路轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以通過控制射頻開關(guān)引腳的高低電平實(shí)現(xiàn)切換發(fā)送和接收電路。該射頻開關(guān)板載CMOS低電壓控制邏輯的控制接口，具有低功耗、高可靠性的特點(diǎn)，能在提高可靠性的同時又降低功耗。再次，電路穩(wěn)定性高。設(shè)計添加的LDO器件，不僅能夠通過控制LDO的引腳來控制供電電路而且可以利用LDO穩(wěn)定電壓提高電路穩(wěn)定性。然后，有效濾除了雜波噪聲。設(shè)計添加的SF2136e型薄膜濾波器插損小、隔離度高、串?dāng)_小、工作穩(wěn)定，能有效濾除模塊收發(fā)產(chǎn)生的雜波噪聲。最后，提高了電路發(fā)射功率和帶寬。設(shè)計選擇T型射頻電路匹配方案。該匹配方案帶寬更寬，效果更好，電路發(fā)射功率和帶寬都能達(dá)到整個電路的最優(yōu)狀態(tài)。因此，通過對芯片選型、電路優(yōu)化、匹配電路設(shè)計，模塊硬件設(shè)計滿足設(shè)計要求。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 軟件流程設(shè)計

節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。第一步，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，軟件進(jìn)入待命狀態(tài)。第二步，系統(tǒng)根據(jù)時序設(shè)計判斷當(dāng)前時間是否到設(shè)定的接收區(qū)間，如果沒有就進(jìn)入初始狀態(tài)，如果已到就進(jìn)入接收區(qū)間。第三步，系統(tǒng)進(jìn)入接收區(qū)間后判斷是否接收到指令，如果未接收到就繼續(xù)返回等待進(jìn)入接收區(qū)間，已接收到指令就進(jìn)行指令解析。第四步，指令解析，判斷控制指令后面是否跟隨數(shù)據(jù)請求指令，如果沒有就直接判斷是否結(jié)束接收。第五步，如果第四步判斷跟隨數(shù)據(jù)指令，就按照數(shù)據(jù)指令規(guī)定的規(guī)則和順序進(jìn)行應(yīng)答和監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳。第六步，判斷是否結(jié)束接收指令，如果否就進(jìn)入接收區(qū)間判斷。第七步，如果選擇是結(jié)束接收指令，本輪數(shù)據(jù)接收結(jié)束。

圖6 節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作邏輯流程圖

整個工作流程的關(guān)鍵在數(shù)據(jù)指令判斷和解析。如果指令判斷錯誤，節(jié)點(diǎn)站可能直接進(jìn)入數(shù)據(jù)接收判斷模式，卻不上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)，導(dǎo)致該站體的監(jiān)控數(shù)據(jù)漏收。如果數(shù)據(jù)指令解析錯誤，節(jié)點(diǎn)站按錯誤的數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則發(fā)送，監(jiān)控數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致中央控制系統(tǒng)上顯示數(shù)據(jù)錯誤。因此，需要采用相關(guān)方法給指令判斷和解析留下足夠的容錯處理空間。

3.2.2 軟件設(shè)計特點(diǎn)

軟件設(shè)計的核心是時間槽的設(shè)計。時間槽設(shè)計能通過規(guī)則給指令判斷和解析留下足夠的容錯處理空間，解決錯誤所產(chǎn)生的冗余沖突問題，大幅降低由于邏輯錯誤出現(xiàn)的軟件閃退及崩潰現(xiàn)象。監(jiān)控中央控制系統(tǒng)的指令包含控制指令和數(shù)據(jù)請求指令?？刂浦噶罟?jié)點(diǎn)站不需要應(yīng)答，數(shù)據(jù)請求指令節(jié)點(diǎn)站需要應(yīng)答?？刂浦噶钍嵌讨噶?，可以不攜帶終端節(jié)點(diǎn)站站號直接批量發(fā)送所有終端設(shè)備。數(shù)據(jù)請求指令是長指令，必須攜帶具體終端節(jié)點(diǎn)站站號并多次發(fā)送。時間槽需要按照最優(yōu)順序進(jìn)行設(shè)計，既滿足給夠錯誤判斷及修復(fù)時間，又不耽誤整個流程效率。

設(shè)計時間槽順序如圖7所示。首先，發(fā)出控制指令，該指令能在最短時間內(nèi)讓節(jié)點(diǎn)站知道是否有指令發(fā)出，容易被獲取同時減少節(jié)點(diǎn)站接收區(qū)間的判斷功耗。然后，發(fā)出數(shù)據(jù)請求指令，該指令包含需要應(yīng)答終端設(shè)備站號以及應(yīng)答順序，能讓節(jié)點(diǎn)站判斷是否應(yīng)該返回數(shù)據(jù)信息，如果返回需要按什么順序返回，容易減少節(jié)點(diǎn)站判斷邏輯混亂導(dǎo)致的崩潰。最后，所有需要應(yīng)答的終端設(shè)備按照數(shù)據(jù)請求指令所設(shè)計的順序依次應(yīng)答回傳監(jiān)控數(shù)據(jù)信息，避免了多節(jié)點(diǎn)站同時返回信息容易引起的數(shù)據(jù)混亂及帶寬不夠情況，減少了誤碼概率。同時，如圖8所示，在時間槽指令之間按指令需求設(shè)計了時間間隙。時間間隙即時間冗余，不僅用于避免指令與數(shù)據(jù)間的互擾現(xiàn)象，而且也給軟件進(jìn)程中時間判定提供了容錯空間，有效避免了軟件的邏輯錯誤。因此，時間槽的設(shè)計能最大限度避免軟件流程中數(shù)據(jù)的串?dāng)_及沖突現(xiàn)象，提高了軟件的穩(wěn)定性和可靠性。

圖7 時間槽順序圖

圖8 指令間隙示意圖

4 節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的測試

4.1 功率測試

節(jié)點(diǎn)站通信模塊是設(shè)計的重要組成部分。因?yàn)榛静捎媒涣麟娭苯庸╇?，可以增大功放輸出指令，所以?jié)點(diǎn)站通信模塊的輸出功率需要進(jìn)行功率測試。模塊的輸出功率直接關(guān)系著能否符合監(jiān)控系統(tǒng)的要求與網(wǎng)關(guān)基站進(jìn)行正常通信。LoRa通信模塊發(fā)射功率為15 dBm時，能將信號傳輸?shù)骄嚯x為2 km的基站，滿足監(jiān)控系統(tǒng)需求。因此，設(shè)計需要測試LoRa發(fā)射功率是否達(dá)到15 dBm。

功率測試采用頻譜儀測試節(jié)點(diǎn)站通信模塊的輸出功率。首先，向節(jié)點(diǎn)站控制電路輸入測試程序。該測試程序設(shè)計通信模塊每間隔2 s向網(wǎng)關(guān)基站發(fā)送一組監(jiān)控數(shù)據(jù)。然后，使用3.3 V電源給通信模塊供電，確保通信模塊正常發(fā)射信息，并將模塊輸出端口接入頻譜儀進(jìn)行分析。最后，頻譜儀顯示結(jié)果如圖9所示，通信模塊在中心頻率433 MHz處達(dá)到輸出功率峰值17.35 dBm，傳輸距離超過2 km。因此，通信模塊的功率測試超過15 dBm,達(dá)到設(shè)計性能要求。

圖9 節(jié)點(diǎn)站通信模塊輸出功率圖

4.2 功能測試

功能測試目的是驗(yàn)證中央控制系統(tǒng)能否通過網(wǎng)關(guān)基站獲取外部節(jié)點(diǎn)站通信模塊所回傳的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計分析。首先，中央控制系統(tǒng)軟件設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則并按規(guī)則發(fā)送控制指令及數(shù)據(jù)請求指令。其次，網(wǎng)關(guān)基站向外部終端節(jié)點(diǎn)站轉(zhuǎn)發(fā)指令。再次，外部終端節(jié)點(diǎn)站接收指令后，按設(shè)計規(guī)則響應(yīng)回傳監(jiān)控數(shù)據(jù)。然后，網(wǎng)關(guān)基站接收監(jiān)控數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給中央控制系統(tǒng)。最后，中央控制系統(tǒng)記錄回傳監(jiān)控數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理顯示。

中央控制系統(tǒng)所顯示的軟件測試信息如圖10所示。1)中央控制系統(tǒng)順利通過設(shè)計流程獲取外部終端監(jiān)控信息。2)節(jié)點(diǎn)站終端按照網(wǎng)關(guān)基站轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)請求指令響應(yīng)規(guī)則按順序在不同時間段進(jìn)行響應(yīng)。3)中央控制系統(tǒng)對外部終端傳回的原始監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄和解析，判斷出外部終端是否工作正常、是否被移動。4)外部終端按數(shù)據(jù)請求指令要求全部響應(yīng)，中央控制系統(tǒng)記錄并顯示所有響應(yīng)信息。因此，測試結(jié)果滿足節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計需求。

圖10 監(jiān)控軟件測試信息

4.3 測試結(jié)論

通過對節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)的功率及功能測試，設(shè)計初步滿足設(shè)計需求：1)遠(yuǎn)距離。發(fā)射距離超過2 km，能實(shí)現(xiàn)直徑超過4 km內(nèi)的有效監(jiān)控范圍，滿足野外節(jié)點(diǎn)儀即時監(jiān)控要求。2)高可靠性。試驗(yàn)過程中，節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失及軟件崩潰現(xiàn)象，滿足設(shè)計的可靠性要求。3)監(jiān)控內(nèi)容完整。獲取監(jiān)控信息含節(jié)點(diǎn)站工作狀態(tài)測試信息、環(huán)境噪聲信息及位置狀況，包含完整的監(jiān)控信息，滿足設(shè)計需要。因此，設(shè)計的基于LoRa技術(shù)的節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)，選用最優(yōu)通信方式，能有效監(jiān)控節(jié)點(diǎn)站的工作狀況及環(huán)境噪聲，提高勘探采集數(shù)據(jù)質(zhì)量，滿足了節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控的需求。

5 結(jié)束語

本研究選擇LoRa技術(shù)作為系統(tǒng)通信方法，將中央控制服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)基站以及終端節(jié)點(diǎn)站3部分作為整個通信架構(gòu)，通過對芯片選型、電路優(yōu)化、匹配電路設(shè)計進(jìn)行硬件設(shè)計，采用構(gòu)建時間槽的方法優(yōu)化軟件流程，通過功率測試與功能測試結(jié)果證實(shí)所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控目標(biāo)，滿足監(jiān)控距離超過2 km、監(jiān)控效果穩(wěn)定的設(shè)計要求。但由于條件限制，監(jiān)控模塊沒有與節(jié)點(diǎn)儀控制電路集成一體化，僅用于探索性測試，而且硬件設(shè)計以及軟件編譯也需要集成后繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化。基于LoRa技術(shù)的節(jié)點(diǎn)儀監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控節(jié)點(diǎn)站工作狀態(tài)及工作環(huán)境，為節(jié)點(diǎn)儀高質(zhì)高效施工提供保障，具有進(jìn)一步研究價值。