基于衛(wèi)星物聯(lián)網的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：針對無人居住且供電、通信受限的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需求，設計了一種基于衛(wèi)星物聯(lián)網的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過LoRa傳感器節(jié)點對環(huán)境參數(shù)進行采集，融合網關接收傳感器節(jié)點的感知數(shù)據(jù)后進行邊緣計算處理。處理后的數(shù)據(jù)經衛(wèi)星中繼后傳輸至云端監(jiān)測系統(tǒng)為用戶提供服務。文中就傳感器節(jié)點的設計、融合網關的硬件及軟件設計進行重點研究，希望為諸如海洋、沙漠等物聯(lián)網無法部署地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測及衛(wèi)星物聯(lián)網應用提供參考。

關鍵詞：海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；衛(wèi)星物聯(lián)網；LoRa傳感器節(jié)點；云端監(jiān)測系統(tǒng)；融合網關；邊緣計算

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

我國是一個海陸兼?zhèn)涞拇髧u作為重要的自然資源，是海洋經濟發(fā)展的重要依托，是構建海洋生態(tài)文明的藍色屏障[1]。海島遠離大陸，受海風、海浪等影響，生態(tài)系統(tǒng)結構簡單而脆弱，極易遭到破壞[2]。隨著藍色經濟的不斷推進，加強海島生態(tài)環(huán)境保護變得日益重要。利用物聯(lián)網技術構建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對海島生態(tài)環(huán)境進行實時監(jiān)測，掌握生態(tài)狀況、發(fā)展變化趨勢等可以為生態(tài)環(huán)境保護管理提供依據(jù)，促進海洋藍色經濟健康發(fā)展[3-4]。

然而，對于位置偏僻、遠離本土、交通不便的島礁，人員無法長期駐留，供電和通信受到限制，現(xiàn)有基于有線網絡、5G通信等地面網絡的物聯(lián)網環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)難以發(fā)揮作用[5-6]。相比地面網絡，天基衛(wèi)星網絡具有高、遠和廣域覆蓋等突出特點，對諸如海洋、沙漠等地面網絡無法服務的地區(qū)有明顯優(yōu)勢。衛(wèi)星物聯(lián)網作為地面物聯(lián)網的延伸和補充，可以有效解決地面物聯(lián)網部署受限的問題[7]。

國外對衛(wèi)星物聯(lián)網的研究相對較早。軌道通信（Orbcomm）、高級研究與全球觀測衛(wèi)星（ARGOS）和國際海事衛(wèi)星（Inmarsat）是提供衛(wèi)星物聯(lián)網服務的典型代表。此外，Telesat、OneWeb、SpaceX等航天巨頭正在加速推進其低軌星座的建設，以支持未來衛(wèi)星物聯(lián)網服務[8]。國內也對衛(wèi)星物聯(lián)網展開了持續(xù)研究。2020年，國家發(fā)展和改革委員會明確的新基建“信息基礎設施”中就包括以衛(wèi)星物聯(lián)網為代表的通信網絡基礎設施[9]。天通一號、北斗系統(tǒng)均可提供衛(wèi)星物聯(lián)網服務。鴻雁、虹云等低軌星座計劃相繼發(fā)布，首個“天基物聯(lián)網”被命名為“行云工程”，計劃由80顆低軌衛(wèi)星組成[10]。此外，多家民營企業(yè)也相繼開展了低軌衛(wèi)星星座的計劃，如九天微星的“瓢蟲系列”、北京國電高科的“天啟物聯(lián)網”等[11]。

國內衛(wèi)星物聯(lián)網的發(fā)展還處于初期建設階段，對衛(wèi)星物聯(lián)網的研究大多還處于理論框架階段。本文針對無人居住、供電和通信受限的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需求，研究了一種基于衛(wèi)星物聯(lián)網的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為無人居住的海島或海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展提供一種參考方案。

1 系統(tǒng)總體設計

針對無人居住、供電和通信受限的海島環(huán)境監(jiān)測需求，本文設計了如圖1所示的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框架。

在海島部署多個傳感器節(jié)點對水質（溶解氧、濁度、pH值等）、水文（流速、流向、潮位等）、氣象（溫度、濕度、風速、風向等）等信息進行采集，傳感器節(jié)點采用LoRa傳輸機制，將采集的信息傳輸至融合網關。融合網關接收采集的數(shù)據(jù)后，可根據(jù)業(yè)務需要對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星網絡，經過衛(wèi)星網絡中繼最終將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器為用戶提供業(yè)務服務。

在該系統(tǒng)中，通過網關形成了星地融合的物聯(lián)網結構，一方面，網關與傳感器節(jié)點構成星型結構的地面區(qū)域網絡，網關對傳感器節(jié)點進行配置并接收傳感器采集的數(shù)據(jù)；另一方面，網關與衛(wèi)星形成天基網絡，將地面采集的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星中繼傳輸給云端服務器。

2 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點的主要功能是采集各類環(huán)境信息參數(shù)及自身電源電壓，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給網關，其硬件部分由低功耗處理器、傳感器模塊、LoRa終端模塊、電池模塊組成，其硬件結構如圖2所示。

在海島環(huán)境供電受限的情況下，傳感器節(jié)點采用鋰電池組供電，而能量的消耗決定了其工作時間。為使傳感器節(jié)點盡可能長時間地工作，對傳感器節(jié)點中能耗最大的2個模塊—處理器和LoRa終端模塊進行低功耗設計。處理器模塊選用ST公司出品的超低功耗微控制器STM32L051作為傳感器節(jié)點的控制單元（MCU），采用空閑時間睡眠、工作時間喚醒的工作模式。LoRa終端模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時功耗最大，為兼顧數(shù)據(jù)傳輸與低功耗的需要，利用ADR（Adaptive Data Rate）技術在傳輸速率和功耗之間進行優(yōu)化，從而降低傳感器節(jié)點功耗。

3 融合網關設計

3.1 硬件設計

融合網關是該海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構中地面網絡和衛(wèi)星網絡融合的關鍵節(jié)點，其硬件部分主要由樹莓派嵌入式單板計算機、LoRa網關模塊、衛(wèi)星通信模塊、電源模塊組成，如圖3所示。

樹莓派4B型號嵌入式單板計算機為網關的核心處理單元，主要完成LoRaWAN網絡管理、傳感器感知數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉換、邊緣計算等任務。樹莓派4B單板計算機基于64位ARM Cortex-A72 1.5 GHz（四核）處理器，支持人工智能等，擁有GPIO、USB、串口、網口等豐富的接口資源，被廣泛應用于對體積、功耗要求嚴格的應用場景。

LoRa網關模塊采用Semtech公司出品的SX1301 LoRaWAN無線通信專用網關模塊，不僅可以實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的管理，還可接收傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星通信模塊采用北京國電高科公司出品的“天啟物聯(lián)網”衛(wèi)星終端模塊，可將數(shù)據(jù)向衛(wèi)星發(fā)送，并最終傳輸至云平臺。

電源模塊實現(xiàn)了對網關的供電管理，其主要由管理單元、太陽能電池、鋰電池等組成。正常情況下，優(yōu)先使用太陽能電池為網關供電，并為鋰電池組充電；當太陽能供電不足時，由鋰電池組為網關供電。

3.2 軟件設計

網關基于樹莓派單板計算機搭建Linux操作系統(tǒng)，利用容器虛擬化技術構建層次化軟件結構，實現(xiàn)了LoRaWAN網絡管理、感知數(shù)據(jù)接收、邊緣計算、衛(wèi)星通信等功能，其軟件結構如圖4所示。

數(shù)據(jù)接入層支持多種硬件接口，對LoRaWAN傳輸協(xié)議做定制化開發(fā)，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的實時接收。

虛擬化層依托容器技術將各種功能服務打包成鏡像文件，實現(xiàn)彼此隔離，以提高網關整體的資源利用率與兼容性。

邊緣計算層實現(xiàn)各容器鏡像的管理及相關功能服務。LoRaWAN服務器模塊實現(xiàn)了傳統(tǒng)云端LoRaWAN服務器的功能，在本地對LoRa節(jié)點進行組網配置、感知數(shù)據(jù)匯聚等。傳感器數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)業(yè)務需要實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)處理功能（數(shù)據(jù)融合、深度學習等），為應用業(yè)務提供邊緣計算服務，可降低數(shù)據(jù)的遠程傳輸壓力。衛(wèi)星通信服務模塊按照協(xié)議要求對邊緣計算處理后的感知數(shù)據(jù)進行格式轉換，通過衛(wèi)星網絡最終發(fā)送給云端服務器。

4 云端監(jiān)測系統(tǒng)設計

傳感器采集的水質、水文、氣象等環(huán)境信息最終經衛(wèi)星運營商傳輸至云端服務器，為方便用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲存、應用、分析、管理等，本系統(tǒng)搭建了基于Web的云端監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了海洋環(huán)境的遠程監(jiān)測、實時分析、可視化展示等功能，系統(tǒng)界面如圖5所示。用戶登錄Web界面后，可以實時查看傳感器采集的各類環(huán)境信息、查閱各傳感器節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)等。

5 結 語

針對無人居住、供電和通信受限的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需求，本文設計了一種基于衛(wèi)星物聯(lián)網的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對無人居住海島的水質、水文、氣象等環(huán)境參數(shù)的自主采集，感知數(shù)據(jù)由融合網關計算處理后經衛(wèi)星中繼傳輸至云端監(jiān)測系統(tǒng)為用戶提供服務。本文提出的海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以為諸如海洋、沙漠等物聯(lián)網無法部署地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測問題提供解決方案，對衛(wèi)星物聯(lián)網作為新基建技術的產業(yè)發(fā)展、應用落地起到積極推動作用。

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