支持無人機(jī)數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)

摘 要：出于土壤無線信號衰減、克服土壤水分變化、精簡基站布局、災(zāi)害時應(yīng)急數(shù)據(jù)采集、節(jié)點能耗優(yōu)化等原因，亟需完成支持無人機(jī)數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)計。故提出了一種支持無人機(jī)數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地下節(jié)點與可無人機(jī)背馱的空中節(jié)點組成，布置在土壤內(nèi)部的地下節(jié)點可持續(xù)獲得土壤溫度數(shù)據(jù)，空中節(jié)點根據(jù)無人機(jī)姿態(tài)啟動，用于收集地下節(jié)點已獲得的感知信息。測試結(jié)果表明，通過對硬件結(jié)構(gòu)、工作時序等進(jìn)行針對性的設(shè)計，使得該系統(tǒng)能夠以較低成本高效實現(xiàn)地下節(jié)點數(shù)據(jù)收集，可為智慧安監(jiān)、應(yīng)急救災(zāi)、智慧農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：地下物聯(lián)網(wǎng)；無人機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點；LoRa；數(shù)據(jù)收集；土壤溫度數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP29；TN709 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

由于具有傳輸距離較遠(yuǎn)、功耗低、可長期布設(shè)、不影響地表面作業(yè)、透土傳輸效果好、適于采集土壤內(nèi)部參數(shù)等優(yōu)點[1-2]，基于LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（Long Range Low Power Wide Area Networks， LoRa LPWAN）的地下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Underground Internet of Thing， UIoT）在智慧農(nóng)業(yè)、智慧安監(jiān)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-6]，但是土壤對LoRa信號有較大的衰減作用，尤其是降水或灌溉后土壤中水分較高時，透地信號強(qiáng)度會大幅下降[7-8]。如果為保障土壤含水率較高時的透地信號強(qiáng)度，加大地下節(jié)點的發(fā)射功率，則會導(dǎo)致地下節(jié)點能量損耗過大。在人跡罕至的環(huán)境中，為保障高含水率土壤中地下節(jié)點的連通性，密集布設(shè)地面基站，從而為地下節(jié)點提供服務(wù)，但該方法也會較大程度增加系統(tǒng)及人工成本，降低可維護(hù)性。此外，在安監(jiān)與應(yīng)急管理等領(lǐng)域，還需考慮自然災(zāi)害造成地面基站破壞后能夠成功采集數(shù)據(jù)的可行性。

若采用無人機(jī)作為數(shù)據(jù)收集平臺，不僅有望有效提高LoRa信號透土傳輸效果，降低地下節(jié)點的能量損耗，精簡基站布局，也能夠為基站損毀后的應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取提供額外的保障[9-11]。因此開發(fā)適用于無人機(jī)中繼的地下物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較大的必要性與應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由可布設(shè)于土壤當(dāng)中的地下節(jié)點與用于無人機(jī)中繼的空中節(jié)點組成。地下節(jié)點用于采集土壤內(nèi)部數(shù)據(jù)（如溫度等）。地下節(jié)點采集的感知數(shù)據(jù)通過LoRa數(shù)據(jù)通道發(fā)往空中節(jié)點。空中節(jié)點通過背馱固定架固定于無人機(jī)上，向地下節(jié)點發(fā)送控制參數(shù)并收集地下節(jié)點發(fā)送的感知數(shù)據(jù)，可在無人機(jī)返航后通過有線或透明傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)在工作中需要穩(wěn)定可靠地收集環(huán)境信息，實現(xiàn)簡單有效的地空通信，而且要盡可能實現(xiàn)LoRa通信模塊的節(jié)能目標(biāo)，以延長地下節(jié)點的維護(hù)周期。為了使空中節(jié)點與地下節(jié)點有序工作，二者之間必須維持一個對應(yīng)的時序。當(dāng)?shù)叵鹿?jié)點被布置于土壤內(nèi)部后，節(jié)點需要維持兩個時序，一個是數(shù)據(jù)傳輸時序（對應(yīng)空地通信窗口），一個是數(shù)據(jù)采集時序（對應(yīng)數(shù)據(jù)采集窗口）。在數(shù)據(jù)傳輸時序中地下節(jié)點以地空數(shù)據(jù)傳輸完成作為每一個通信窗口結(jié)束的標(biāo)志，并通過延時器來確定下一個通信窗口的開啟時間。數(shù)據(jù)采集時序?qū)?yīng)著數(shù)據(jù)采集窗口內(nèi)獲取傳感器數(shù)據(jù)的時序，地下節(jié)點依據(jù)該時序讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)暫存，直到下一次數(shù)據(jù)開始傳輸。

當(dāng)節(jié)點布設(shè)完成并啟動后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集時序獲取周圍土壤數(shù)據(jù)，并根據(jù)初始延時開啟空地通信窗口。當(dāng)無人機(jī)起飛并通過操作員根據(jù)視覺導(dǎo)標(biāo)到達(dá)地下節(jié)點上空后，操作員通過無人機(jī)的姿態(tài)啟動空中節(jié)點數(shù)據(jù)收集模式。無人機(jī)向地下節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，該采集指令中還包含下一次通信窗口開啟的延時設(shè)置。地下節(jié)點將已采集到的帶有節(jié)點編號的數(shù)據(jù)逐條發(fā)往空中節(jié)點?？罩泄?jié)點正確收到每條數(shù)據(jù)后向地下節(jié)點發(fā)送確認(rèn)信息，地下節(jié)點隨之再發(fā)送下一條數(shù)據(jù)。當(dāng)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，地下節(jié)點發(fā)送完信息。在感知數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并收到確認(rèn)消息后，地下節(jié)點進(jìn)入數(shù)據(jù)采集窗口，清空已有的感知數(shù)據(jù)，令LoRa通信模塊進(jìn)入低功耗工作模式，并依照數(shù)據(jù)采集時序持續(xù)采集數(shù)據(jù)。需要注意的是，通常工作中的通信窗口時間遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)采集窗口時間。如果空地間通信中斷，地下節(jié)點不會清空數(shù)據(jù)，將按照預(yù)定的時序工作至下一個通信窗口。系統(tǒng)工作時序如圖2所示。

2 各部分設(shè)計

2.1 地下節(jié)點

在地下節(jié)點的設(shè)計過程中，為實現(xiàn)不同土壤水分條件和相同發(fā)射能量下較好的透土傳輸效果，需要集中LoRa信號能量，還需便于無人機(jī)接收。在以往相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計中，由于采用地面基站，所以地下節(jié)點的天線多使用全向天線。但是類似的設(shè)計會使LoRa信號在土壤當(dāng)中發(fā)生多余的反射與折射，且在無接收天線的方向上浪費能量。在本設(shè)計中采用平板定向天線，令其主瓣方向與地表垂直。采用平板天線不僅可以令LoRa無線能量的分布更集中于透土傳輸方向，降低其他方向上的輻射損耗，增強(qiáng)傳輸效果，而且其寬大平緩的主瓣也更便于無人機(jī)接收地下節(jié)點發(fā)出的信號。在設(shè)計中采用主瓣寬度約為73°、前后比≥16 dB的麒凡6 dBi增益平板天線。相關(guān)圖片如圖3所示。

地下節(jié)點中的微控制器采用Cortex-M3核心STM32F103ZET6微控制器，節(jié)點LoRa通信模塊選用基于SX1268芯片的E22-400T22S型無線LoRa模塊。為達(dá)到最佳通信效果，地下節(jié)點的擴(kuò)頻因子SF取最大值（對應(yīng)空中速率的最小值）。系統(tǒng)中其他部分的擴(kuò)頻因子也與其取值一致。

地下節(jié)點通過低功耗探頭式DS18B20溫度傳感器采集周圍土壤溫度數(shù)據(jù)。每條數(shù)據(jù)都有其對應(yīng)編號，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。使用該地下節(jié)點還可通過本課題組自研的擴(kuò)展板[12]接入更多外部設(shè)備。節(jié)點被置于防水箱內(nèi)，平板天線的主瓣方向與地表垂直。節(jié)點供電采用DC/DC+LDO方案，由12 V/9 A·h鉛酸電池通過LM2596S與AM1117實現(xiàn)供電。地下節(jié)點工作流程如圖4所示。

2.2 空中節(jié)點

空中節(jié)點用于收集地下節(jié)點獲得的感知信息，從成本、操作便捷性、應(yīng)急使用方式、獲得飛行許可等方面考慮，可以將其搭載于微型及小型商用無人機(jī)上，無需復(fù)雜的操作邏輯就可進(jìn)入數(shù)據(jù)收集模式。本設(shè)計中空中節(jié)點被設(shè)計為可通過商用背馱卡扣背馱搭載于大疆Marvic 2 pro小型無人機(jī)外殼上，無需與無人機(jī)硬件電路連接即可工作。由于Marvic 2"pro承重有限，所以必須在保證功能的前提下，嚴(yán)格控制空中節(jié)點的重量，但是節(jié)點的背馱卡扣設(shè)計也可令其搭載于其他負(fù)載能力大于Marvic 2 pro的無人機(jī)上。搭載于大疆Marvic 2 pro上的空中節(jié)點如圖5所示。

空中節(jié)點與地下節(jié)點一樣，基于STM32F103ZET6微控制器設(shè)計，其采用的LoRa通信模塊為E22-400T22D?？罩泄?jié)點供電采用LDO方式，一個微型充電寶或聚合物鋰電池的5 V直流電壓輸出后經(jīng)TPS73033/AM1117為空中節(jié)點穩(wěn)定供電。空中節(jié)點的外殼采用防水PET圓柱形容器，一個3 dBi全向膠棒天線被布置于容器正前方，其軸線與無人機(jī)的軸線重合。

為便于實現(xiàn)免硬件連接啟動節(jié)點，在節(jié)點設(shè)計過程中考慮通過無人機(jī)的飛行姿態(tài)啟動空中節(jié)點。空中節(jié)點采用MPU6050獲得無人機(jī)的實時姿態(tài)。無人機(jī)通過目視或飛控軟件到達(dá)地下節(jié)點上空時先懸停，然后在20 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)720°，由此觸發(fā)空中節(jié)點啟動、工作。無人機(jī)獲得地下節(jié)點發(fā)來的感知數(shù)據(jù)后，將其存儲在節(jié)點中，待無人機(jī)飛返后，這些數(shù)據(jù)需要使用USB-UART串行接口或通過LoRa透傳至上位機(jī)。空中節(jié)點數(shù)據(jù)采集工作流程如圖6所示。

無人機(jī)飛返至操作員處后，空中節(jié)點可以通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。通過GPIO的電平來設(shè)定空中節(jié)點與上位機(jī)的連接形式，高電平為有線模式，低電平為無線模式。節(jié)點的輕觸按鍵按下后開啟數(shù)據(jù)傳輸模式。在有線模式下，空中節(jié)點收到上位機(jī)發(fā)來的查詢指令后，將從地下節(jié)點收集來的數(shù)據(jù)通過USB-UART串口連接線逐條發(fā)往上位機(jī)，發(fā)送完成后發(fā)送確認(rèn)信息。在無線模式下，空中節(jié)點的LoRa模塊通過透傳模式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)的發(fā)送需間隔1 s。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，節(jié)點等待上位機(jī)的數(shù)據(jù)清除指令，收到該指令后，清除內(nèi)存空間中的已有數(shù)據(jù)?？罩泄?jié)點與上位機(jī)通信流程如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后在贛榆區(qū)某園區(qū)進(jìn)行了測試，測試時間為28天。該處土質(zhì)主體為黃棕壤。實驗中地下節(jié)點被置于土壤耕作層以下、距離地表約45 cm處，節(jié)點的上表面與地表面平行，地下節(jié)點中平板天線的主瓣與地平面垂直。無人機(jī)操作員通過地面目視導(dǎo)標(biāo)將無人機(jī)懸停在地下節(jié)點上方，無人機(jī)懸停高度為20 m。地下節(jié)點LoRa模塊的發(fā)射功率設(shè)為22 dBm。無人機(jī)早晚訪問節(jié)點各1次，通信窗口時長為15 min，土壤溫度傳感器采集周期為30 min。實驗中使用土壤傳感器及取樣烘干稱重法標(biāo)定地下節(jié)點周圍土壤體積含水率。

土壤含水率高是導(dǎo)致LoRa無線信號衰減的最主要原因。空中節(jié)點接收到的地下節(jié)點LoRa信號強(qiáng)度指示值如圖8所示。實驗結(jié)果表明，在土壤體積含水率較低時[0，20%），空中節(jié)點接收到的地下節(jié)點LoRa信號強(qiáng)度指示均值約為-21 dBm；在灌溉及雨后等情況下，土壤含水率較高時[30%，40%），空中節(jié)點接收到的地下節(jié)點LoRa信號強(qiáng)度指示均值也能保持在約-57 dBm。上述結(jié)果表明，本系統(tǒng)透地信號強(qiáng)度良好，可以充分滿足LoRa信號傳輸?shù)膹?qiáng)度要求。

測試中，除3次因為降水強(qiáng)風(fēng)，無人機(jī)無法起飛導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集無法完成外，空中節(jié)點與地下節(jié)點間的通信都能順利完成。由于系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)緩存等功能，該輪數(shù)據(jù)在隨后的飛行輪次中都被順利采集。節(jié)點與上位機(jī)之間的有線與無線數(shù)據(jù)傳輸功能經(jīng)測試無中斷等異常情況發(fā)生。在測試結(jié)束后，取出地下節(jié)點對鉛酸電池電量進(jìn)行測量，并分析電量曲線。測試結(jié)果表明，電池還有約50%的電量，其功耗滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種支持無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)。系統(tǒng)基于透土效果良好的LoRa技術(shù)設(shè)計，由埋入土壤內(nèi)部的地下節(jié)點與可無人機(jī)背馱的空中節(jié)點組成。地下節(jié)點可以在土壤內(nèi)部長期感知周圍土壤溫度信息，其感知到的數(shù)據(jù)由背馱于小型無人機(jī)上的空中節(jié)點進(jìn)行收集。測試結(jié)果表明，通過對硬件結(jié)構(gòu)、工作時序等進(jìn)行針對性的設(shè)計，該系統(tǒng)可以低成本、高有效性地實現(xiàn)地下節(jié)點數(shù)據(jù)收集，可為智慧安監(jiān)、應(yīng)急救災(zāi)、智慧農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。

注：本文通訊作者為楊義。

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作者簡介：萬雪芬（1979—），女，碩士，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

楊 義（1978—），男，博士，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

收稿日期：2024-01-09 修回日期：2024-02-21

基金項目：廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃資助項目（2021011035）；秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目（201805A016）；河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心項目（3142018055）；河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心項目（3142016020）