孫衛(wèi)寧 杜奕霖 覃宏秋

【摘 要】人類的活動(dòng)和過度開發(fā)破壞了自然生態(tài)，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化。自然保護(hù)區(qū)是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和保持生物多樣性的有效手段，但是，如何才能有效地對(duì)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行觀察、監(jiān)測？文章提出基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，把目前使用的傳感器、監(jiān)測設(shè)備通過星形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然保護(hù)區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，同時(shí)也為自然保護(hù)區(qū)生態(tài)的發(fā)展、保護(hù)、研究提供數(shù)據(jù)參考。

【關(guān)鍵詞】LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；FPGA

【中圖分類號(hào)】X36；P208 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0036-03

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用嵌入式FPGA可編輯器件進(jìn)行開發(fā)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸三大部分組成。數(shù)據(jù)采集主要由各個(gè)不同的傳感器組成，通過不同的方式對(duì)自然保護(hù)區(qū)的環(huán)境、水文氣象、動(dòng)物活動(dòng)情況進(jìn)行測量或感應(yīng)；數(shù)據(jù)處理是實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、編解碼、重新打包和存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)傳輸主要是通過LoRa終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、GPRS和有線網(wǎng)絡(luò)等方式逐級(jí)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LoRa的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器等。其中，終端節(jié)點(diǎn)包括物理層、MAC層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)關(guān)完成空口物理層的處理；而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)進(jìn)行MAC層處理，包括自適應(yīng)速率選擇、網(wǎng)關(guān)管理和選擇、MAC層模式加載等。LoRawan定義為典型星形的組網(wǎng)方式（如圖1所示），LoRa終端采用多對(duì)一的方式和LoRa網(wǎng)關(guān)通信，LoRa網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議與服務(wù)器通信。相對(duì)mesh網(wǎng)絡(luò)，典型星型的組網(wǎng)方式減少了路由，降低了系統(tǒng)的功耗和成本。LoRa支持多信道通信，對(duì)于多節(jié)點(diǎn)通信情況，LoRa采用了多信道加擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)來增中節(jié)點(diǎn)的通信容量。比如，在同一個(gè)信道中，由于使用不同的擴(kuò)頻因子，節(jié)點(diǎn)間的通信互不干擾。因此，簡單的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以滿足在保護(hù)區(qū)中多節(jié)點(diǎn)部署的要求。

3 網(wǎng)絡(luò)通信傳輸模式

3.1 允許雙向通信的class A類終端

class A類終端在每次上行鏈路后都會(huì)緊跟2個(gè)短暫的下行鏈路接收窗口，傳輸時(shí)隙是由終端在有傳輸需求時(shí)分配，附加一定的隨機(jī)延時(shí)（即ALOHA協(xié)議）。Class A類終端是最低功耗的，要求應(yīng)用在終端上行傳輸后的很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行服務(wù)器的下行傳輸，服務(wù)器在其他任何時(shí)間進(jìn)行的下行傳輸都要等終端的下一次上行。

3.2 劃定接收時(shí)隙的雙向傳輸終端Class B類終端

Class B的終端會(huì)有更多的接收時(shí)隙。除了Class A的隨機(jī)接收窗口，Class B設(shè)備還會(huì)在指定時(shí)間打開別的接收窗口。為了讓終端可以在指定的時(shí)間打開接收窗口，終端需要從網(wǎng)關(guān)接收時(shí)間同步的信標(biāo)Beacon。這使得服務(wù)器可以知道終端正在監(jiān)聽。

3.3 最大化接收時(shí)隙的雙向傳輸Class C的終端

Class C終端基本是一直打開著接收窗口，只在發(fā)送時(shí)短暫關(guān)閉。Class C的終端會(huì)比 Class A和 Class B更加耗電，但同時(shí)從服務(wù)器下發(fā)給終端的時(shí)延也是最短的。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信傳輸模式選擇

在自然保護(hù)區(qū)，為了讓監(jiān)測設(shè)備最長時(shí)間的連續(xù)工作，低功耗是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。對(duì)于上述3種工作模式，class A最省電，同時(shí)也滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，因此選擇class A的工作模式。

4 監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)與選擇

在自然保護(hù)區(qū)中，劃分多個(gè)不同的監(jiān)測區(qū)域，可以根據(jù)實(shí)際的情況，靈活地進(jìn)行部署。

（1）自然保護(hù)區(qū)基本情況的監(jiān)測，如溫度、濕度、河流水位、降水、氣壓、防火等。對(duì)環(huán)境方面的監(jiān)測，可以安裝濕度傳感器、水位傳感器、氣壓傳感器、降水傳感器、煙霧傳感器等。

（2）野生動(dòng)物的情況監(jiān)測，如動(dòng)物的數(shù)量、痕跡、身體狀況等。對(duì)動(dòng)物的監(jiān)測，可以安裝紅外觸發(fā)相機(jī)、聲音傳感器、振動(dòng)傳感器，紅外觸發(fā)相機(jī)可以檢測到動(dòng)物的活動(dòng)情況，因動(dòng)物的活動(dòng)引發(fā)相機(jī)拍照，然后把相片發(fā)回服務(wù)器，通過查看相片可以觀察到動(dòng)物的活動(dòng)區(qū)域、數(shù)量、健康等；此外，聲音傳感器、振動(dòng)傳感器也可以通過采集這些數(shù)據(jù)了解到動(dòng)物的活動(dòng)情況。

（3）人類活動(dòng)情況監(jiān)測，如砍伐、偷獵、人數(shù)、放牧、旅游等。在自然保護(hù)區(qū)的邊界或是一些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，通過紅外觸發(fā)相機(jī)或是入侵檢測等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)有非法入侵或是有人類活動(dòng)時(shí)，立即可以把圖像信息實(shí)時(shí)傳到服務(wù)器上。

5 硬件設(shè)計(jì)

5.1 數(shù)據(jù)采集和發(fā)送終端

Altera是一家可編程邏輯器件的生產(chǎn)商，一直在可編程系統(tǒng)級(jí)芯片（SOPC）領(lǐng)域中處于前沿和領(lǐng)先的地位，提供了多種可配置嵌入式產(chǎn)品。在FPGA中，主要有stratix、arria、cyclone、max等系列產(chǎn)品。cyclone系列產(chǎn)品提供低功耗、低成本、性能較好的設(shè)計(jì)需求。采用嵌入式FPGA可編輯器件（如圖2所示），既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，可以針對(duì)不同的傳感器接口進(jìn)行定制，rs232、RS485、I2C、SPI或是廠商自定義的接口協(xié)議等都可以集成到嵌入式主板中，在使用的時(shí)候，可以做到即插即用，滿足監(jiān)測節(jié)點(diǎn)針對(duì)不同的環(huán)境區(qū)域使用不同的傳感器設(shè)備。數(shù)據(jù)發(fā)端也同時(shí)接到嵌入主板中，由fpga芯片進(jìn)行控制，一方面通過指令對(duì)傳感器進(jìn)行采集和控制，另一方面對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編解碼，通過LoRa終端上傳到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)LoRa網(wǎng)關(guān)。

5.2 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，匯聚節(jié)點(diǎn)LoRa網(wǎng)關(guān)接收到各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)重新打包，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，使用GPRS或有線等方式上傳到服務(wù)器。

6 軟件的設(shè)計(jì)

采用verilog硬件描述語言進(jìn)行開發(fā)，在算法級(jí)、門級(jí)到開關(guān)級(jí)的多種抽象設(shè)計(jì)層次上對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模，完成對(duì)傳感器的通信和控制。

6.1 通信接口設(shè)計(jì)

RS232通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收；I2C總線協(xié)議，I2C標(biāo)準(zhǔn)速率為100 kbit/s，支持多機(jī)通信，支持多主控模塊，但同一時(shí)刻只允許有一個(gè)主控。由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成串行總線；每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址；SPI是一種高速的全雙工通信總線，通常有1個(gè)主設(shè)備和1個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，由SI（數(shù)據(jù)輸入）、SO（數(shù)據(jù)輸出）、SCK（時(shí)鐘）、xCS（片選）4條信號(hào)線組成。

6.2 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

（1）在數(shù)據(jù)采集端，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用連接一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)備，那么，在使用相同的數(shù)據(jù)接口情況下采用定時(shí)輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果使用不同的接口的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)同時(shí)采集，定時(shí)采集數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間可以在主機(jī)中根據(jù)需要設(shè)定。從各個(gè)傳感器中采集到的每一幀數(shù)據(jù)編碼也是不一致的，如字符編碼、十六進(jìn)制編碼、BCD編碼等。這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼處理，統(tǒng)一編碼重新打包，每一幀采用32位字節(jié)表示，格式由2個(gè)字節(jié)的幀頭、2個(gè)字節(jié)的設(shè)備號(hào)（唯一的）、26個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)、2個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)組成。數(shù)據(jù)傳輸采用LoRa終端地址+信道向LoRa網(wǎng)關(guān)定向傳輸，每個(gè)LoRa終端的地址都設(shè)成唯一，即使信道相同，兩者之間都不會(huì)相互干擾。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，一種是嵌入式系統(tǒng)的SD卡，另一種是上傳到服務(wù)器上。這樣設(shè)計(jì)的目的是考慮到自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜，無線信號(hào)有可能因外界的各種因素而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)失去連接，無法及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)或是出現(xiàn)丟包導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因此把數(shù)據(jù)備份到系統(tǒng)SD卡中，出現(xiàn)上述狀況時(shí)，可以重新發(fā)送數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失。SD卡是一種低成本的半導(dǎo)體記憶設(shè)備，它被廣泛用于便攜系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備中，具有容量大、體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快、成本低等特點(diǎn)。在監(jiān)測系統(tǒng)中，通過SPI總線協(xié)議進(jìn)行通信，支持單個(gè)塊和多個(gè)塊的讀寫操作。

（3）從LoRa終端到LoRa網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，終端結(jié)點(diǎn)包括了物理層、MAC層和應(yīng)用層。通信過程分為3個(gè)步驟：一是終端的激活，二是加入網(wǎng)絡(luò)，三是數(shù)據(jù)傳輸。終端激活可以采用ABP（Activation by Personalization，個(gè)性化激活）和OTAA（Over-the-Air Activation，空中激活）2種方式；終端加入網(wǎng)絡(luò)通過配置AppEUI和DevEUI參數(shù)；并且，取LoRa芯片的RSSI隨機(jī)值，得到DevNonce。將上述3個(gè)參數(shù)組織成Join Request數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給LoRaWAN Server。LoRaWAN Server接收到Join Request后，分配DevAddr，連同AppNonce和NetID，組織成JoinAccept數(shù)據(jù)幀，回應(yīng)給終端。終端成功接收J(rèn)oin Accept后便加入了網(wǎng)絡(luò)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

7 電源設(shè)計(jì)

在自然保護(hù)區(qū)中，系統(tǒng)要長期運(yùn)行，必須有可靠的、穩(wěn)定的供電設(shè)備，因此采用以鋰電為主、光伏板為輔的供電方式，白天光伏板可以提供鋰電充電，夜間鋰電可以提供設(shè)備供電。在不影響系統(tǒng)工作情況下，系統(tǒng)功耗設(shè)計(jì)要盡可能低，在光能有限的情況下，鋰電池能維持長時(shí)間的工作，保證整個(gè)設(shè)備長時(shí)間連續(xù)不間斷地工作。

8 結(jié)語

系統(tǒng)把LoRa的低功耗、超遠(yuǎn)距離的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到自然保護(hù)區(qū)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然保護(hù)區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了管理的效率，同時(shí)也為自然保護(hù)區(qū)生態(tài)的發(fā)展、保護(hù)、研究提供數(shù)據(jù)參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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What-Is-LoRa/LoRaWAN-White-Papers，2016-01-

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[3]孫曼.基于LoRa標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議研究[J].電視技術(shù)，2016（10）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]