韓 毅，徐宏宇，唐澤坤

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，沈陽 110136)

隨著我國光纖到戶工程的實施，以光纜作為傳輸介質(zhì)的通信網(wǎng)絡正趨于全面覆蓋。光纖通信技術的發(fā)展也使光纜所承載的數(shù)據(jù)量也越來越大，這就意味著如果光纖傳輸網(wǎng)絡中出現(xiàn)故障將會帶來巨大的經(jīng)濟損失[1]。在光纖傳輸網(wǎng)絡中，光功率值能切實反映出信號在光纖中的傳輸狀態(tài)[2]，網(wǎng)絡中設備失效、光纖斷線等故障都能通過光功率值反映。因此，通過在光纖傳輸網(wǎng)絡中放置監(jiān)測點，監(jiān)測各節(jié)點的光功率并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳，就能主動有效地發(fā)現(xiàn)故障。與傳統(tǒng)的人工定期實地巡檢相比，遠程監(jiān)測方案能有效縮短故障時間，且節(jié)省成本。

在現(xiàn)有的光功率監(jiān)測設計方案中，監(jiān)測終端數(shù)據(jù)上傳的主要方式有GPRS、ZigBee以及利用被監(jiān)測線路上傳等三種[3-5]。它們都有各自的不足之處，如表1所示。

表1 三種數(shù)據(jù)上傳方式存在的缺陷

采用LoRa(Long Range)技術作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳方式，能有效解決現(xiàn)有設計數(shù)據(jù)傳輸缺陷。LoRa技術可實現(xiàn)通信距離在郊區(qū)環(huán)境達15公里，在市區(qū)也能達到3公里。其接收靈敏度更是達到了-148dBm，最大鏈路預算可達168dB。LoRa采用了一種特殊的線性擴頻調(diào)制技術，只要采用不同擴頻序列即使終端使用相同的通信頻率也不會相互干擾，從而大大提升了抗干擾能力[6]。在LoRa技術未出現(xiàn)前，無線通信的通信距離和功耗被認為是不可兼顧的，但是LoRa卻在通信距離超遠的情況下功耗還極低，理論上一節(jié)普通的五號電池就能支持LoRa工作十年。LoRa采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，相對于其他網(wǎng)絡拓撲結構是延遲最低、結構最簡單的，另外LoRa使用無需授權的ISM頻段，這些都為自組網(wǎng)提供了便捷。雖然在最高數(shù)據(jù)傳輸速率上LoRa技術不及其他無線傳輸技術，不過這對于傳輸數(shù)據(jù)量少的光功率監(jiān)測系統(tǒng)來說完全滿足需求[7-9]。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)組成及功能

本監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測光纖傳輸網(wǎng)絡中各監(jiān)測節(jié)點的光功率值，從而有效判斷網(wǎng)絡中是否存在故障。系統(tǒng)采用LoRa傳輸技術組網(wǎng)簡單、可靠，可完全擺脫對現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡的依賴，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡結構如圖1所示，主要包括終端監(jiān)測節(jié)點、LoRa信號傳輸中繼、數(shù)據(jù)接收端以及控制顯示PC。終端監(jiān)測節(jié)點完成光功率數(shù)據(jù)的采集、處理和上傳。中繼器在LoRaWAN中起到信號中繼傳輸?shù)淖饔?，延長無線傳輸?shù)木嚯x。接收端在接收到各監(jiān)測節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，通過串口傳送給PC端進行數(shù)據(jù)顯示及告警。在PC控制顯示端如果某一終端監(jiān)測節(jié)點發(fā)現(xiàn)故障，則可以立即告知維修人員去該點進行維修。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡結構

1.2 LoRaWAN通信協(xié)議

通常所說的LoRa是指在物理層上的傳輸技術，而LoRaWAN是指為LoRa遠程通信網(wǎng)絡規(guī)定的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構[10]。針對后續(xù)LoRa模塊配置以及軟件設計需要，對LoRaWAN通信協(xié)議中兩個部分進行簡要說明。

(1)終端信息傳輸模式。在LoRaWAN協(xié)議中規(guī)定了三種信息傳輸模式，分別為Class A、Class B、Class C[11]。Class A模式下功耗最低，這種模式主要針對上行數(shù)據(jù)為主，終端要想接收到下行數(shù)據(jù)只能在發(fā)送上行數(shù)據(jù)之后，在每次上行后都會緊跟兩個短暫的下行接收窗口。Class B模式，除了Class A模式的隨機接收窗口外，還會在指定時間打開接收窗口。Class C模式下的終端基本上是一直打開著接收窗口的，只在發(fā)送上行數(shù)據(jù)時短暫關閉。

(2)終端節(jié)點的接入網(wǎng)方式。在每個終端收發(fā)數(shù)據(jù)前，都必須先加入LoRaWAN網(wǎng)絡。接入LoRaWAN網(wǎng)絡方式有兩種：Over-the-Air Activation(空中激活方式OTAA)和Activation by Personalization(獨立激活方式ABP)。OTAA接入網(wǎng)方式需要通信終端先向網(wǎng)絡服務器發(fā)送接入請求，然后在服務器驗證其相關信息之后，給其分配一個網(wǎng)絡地址，同時會回復終端相關信息以產(chǎn)生密鑰來對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和校驗。而ABP接入網(wǎng)方式則直接在通信終端進行LoRaWAN最終通信參數(shù)的配置，然后可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)[12-13]。OTAA接收方式雖然安全性相對較高，但是也會增加組網(wǎng)的復雜程度。

2 監(jiān)測終端硬件設計

監(jiān)測終端主要包括主控單元MCU、光功率測量單元以及LoRa通信模塊等，如圖2所示。本設計采用的MCU為STM32F407ZGT6，它具有192KB的SRAM、1M的FLASH、2個CAN、6個串口、3個SPI和一個10/100M以太網(wǎng)MAC控制器等，功能配置十分強大。在實際光功率監(jiān)測中，利用光耦合器從待測光纖線路中分出一定比例的光功率(3%～5%)用于檢測。所分出的光信號在經(jīng)過光功率測量單元后，測得的數(shù)據(jù)上傳給STM32主控單元，主控單元進行數(shù)據(jù)處理之后通過LoRa通信單元發(fā)送出去。

圖2 監(jiān)測終端節(jié)點結構

2.1 光功率測量單元設計

光耦合器將從光纖線路中分出的光信號經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號，此時的電流信號十分微弱，采用對數(shù)放大并進行I/V轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號，之后才能進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送入STM32中進行數(shù)據(jù)處理得到光功率值。

(1)光電探測器。光檢測原理主要是基于光輻射與材料相互作用時產(chǎn)生的光電效應。光電探測器種類繁多，如有PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管和光電三極管等，不同類型間的光電探測器性能有較大差異，就算是同一種類型的光電探測器也因它們的鑄造材料不同性能也有所區(qū)別。例如，APD雪崩光電二極管就有Si、Ge、InGaAs三種鑄造材料的類型區(qū)別，不管是從響應度還是APD增益來說，InGaAs型要優(yōu)于Si型和Ge型的雪崩光電二極管[14]。光電探測器的選擇可根據(jù)實際需求來確定，不一定要選擇性能最好的，需要兼顧性能和價格等因素。市場上使用較多的是InGaAs-PIN光電二極管，其可探測波長包含了常用的波段，且具有較高的監(jiān)測靈敏度和較低的噪聲，是一個比較理想的選擇[15]。

(2)對數(shù)放大和I/V轉(zhuǎn)換部分電路設計。對于對數(shù)放大電路和I/V轉(zhuǎn)換部分，采用對數(shù)放大器AD8304進行設計。AD8304針對光纖系統(tǒng)中的低頻信號功率測量進行了優(yōu)化。它采用先進的跨導線性技術，可提供多樣、易用的極寬動態(tài)范圍。大多數(shù)應用中只需要5V單電源，但也可使用3.0V至5.5V電源。使用低電源電壓時，可以輕松更改對數(shù)斜率以適應可用范圍[16]。AD8304集成了溫度補償電路，這使得轉(zhuǎn)換精度得以提高。其內(nèi)部由對數(shù)比轉(zhuǎn)換器和線性運算放大器組成。由InGaAs-PIN光電二極管輸出的微小電流信號在AD8304內(nèi)完成了對數(shù)放大及電流至電壓的轉(zhuǎn)換，最后輸出電壓信號。

對數(shù)放大器輸入電流IIN與輸出電壓VOUT以及被測功率P關系如式(1)～式(4)所示。

P=K2VOUT+C2

(1)

P=10lgPIN

(2)

(3)

(4)

上式中，K1、C1、K2、C2均為常數(shù)，其中K1、C1由芯片外接電阻所決定。ρ為InGaAs-PIN光電二極管的響應度，PIN為輸入光功率。由上式可知，輸出電壓值VOUT與被測功率值P之間為簡單的線性對應關系。對數(shù)放大電路和I/V轉(zhuǎn)換部分電路原理圖如圖3所示。

圖3 對數(shù)放大和I/V轉(zhuǎn)換電路

(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)部分設計。監(jiān)測終端使用的主控單元為STM32F407ZGT6，它自帶12位逐次趨近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。有多達19個復用通道，可測量來自16個外部源、兩個內(nèi)部源和通道信號。這些通道的A/D轉(zhuǎn)換可在單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)采樣模式下進行[17]。STM32F407ZGT6包含有3個ADC。ADC最大轉(zhuǎn)換速率為2.4 MHz，也就是轉(zhuǎn)換時間為0.41 μs。ADC的轉(zhuǎn)換分為兩個通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。規(guī)則通道相當于程序正常運行，而注入通道相當于中斷。在滿足需求的情況下采用MCU內(nèi)部的ADC不僅簡化了電路，而且也提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了程序編程[18]。

2.2 LoRa通信單元

LoRa通信單元采用的是廣州星翼電子科技有限公司出品的ATK-LORA-01型LoRa通信模塊。該模塊內(nèi)部封裝了常用的LoRa通信芯片SX1278，只引出6個引腳：MDO、AUX、TXD、RXD、GND和VCC，MCU或者PC通過串口即可連接模塊[19-20]。模塊可配置65536個(0X0000～0XFFFF)地址，工作頻率在410 MHz～441 MHz，以1 MHz頻率為步進信道，共32個信道，而且內(nèi)置有雙512字節(jié)環(huán)形FIFO，內(nèi)部完成自動分包發(fā)送和接收。在模塊正常通信前，需要將它與上位機PC相連，PC通過AT指令來設置相應的模塊參數(shù)。

(1)模塊參數(shù)配置。首先得讓模塊進入?yún)?shù)配置狀態(tài)，將模塊MD0腳接高電平(3.3V)，AUX腳懸空(模塊引腳懸空時為輸入低電平0V)，TXD腳接串口線RXD，RXD腳接串口線TXD，GND接地，VCC接3.3V電源。在PC端通過串口助手發(fā)送相應的AT指令即可完成參數(shù)配置，需要配置的參數(shù)及相應的AT指令如表2所示。

模塊的三種工作模式其實在內(nèi)部將SX1278芯片都配置為Class C工作模式，模塊的接收是一直打開的，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)時才會中斷接收(模塊表現(xiàn)為“一般模式”)，而“喚醒模式”和“省電模式”只是在接收的時間上做出調(diào)整相反會影響數(shù)據(jù)的發(fā)送，因此在模塊的工作模式上選擇一般模式。數(shù)據(jù)發(fā)送需先將數(shù)據(jù)送入模塊內(nèi)部的FIFO，F(xiàn)IFO再通過串口送到射頻發(fā)射部分發(fā)送出去，參數(shù)中“波特率”和“檢驗位”配置的是FIFO到射頻發(fā)射部分的串口通信，此外必須保證“空中速率”不小于“波特率”，否則FIFO將溢出造成數(shù)據(jù)丟失。模塊的激活接入方式為獨立激活接入ABP，直接對相應通信參數(shù)(模塊地址、通信信道、空中速率)進行配置即可接入網(wǎng)絡正常通信[21-22]。

表2 參數(shù)配置及相應AT指令

(2)模塊進入LoRa通信狀態(tài)。模塊通過串口與監(jiān)測終端MCU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，配置相應引腳模塊即可進入LoRa通信狀態(tài)：MD0引腳接低電平，TXD腳接MCU串口RXD，RXD腳接MCU串口TXD，GND、VCC接MCU對應接口。此時模塊的AUX引腳為輸出狀態(tài)，指示FIFO內(nèi)是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，將AUX接監(jiān)測終端MCU普通GPIO引腳，通過讀取引腳狀態(tài)就能得知數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。

3 監(jiān)測終端軟件設計

監(jiān)測終端主要完成光功率值的測量、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的LoRa射頻傳輸。為減少終端設備能耗，延長設備的工作時間，在保證系統(tǒng)有效性的前提下選取合適的數(shù)據(jù)采集時間間隔，其他時間設備進入休眠狀態(tài)。在終端設備上電后，首先進行的是光功率測量單元、LoRa通信模塊以及主控MCU的初始化。初始化完成之后，要讓LoRa射頻傳輸模塊激活接入網(wǎng)絡(獨立激活接入ABP)，監(jiān)測終端會向接收端發(fā)送一段特定的字符串數(shù)據(jù)(包含監(jiān)測終端地址)，告知接收端其準備接入網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，而在接收端收到這段字符串后會向該監(jiān)測終端反饋一字符串，表示通信正常、接入網(wǎng)絡成功。待接入網(wǎng)絡成功后，進入主程序循環(huán)，首先向光功率測量單元發(fā)出檢測指令，在收到光功率數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理完成之后送入FIFO中，最后通過LoRa射頻傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢以后設備進入休眠狀態(tài)，等待下一次計時結束喚醒設備重復程序主循環(huán)流程，程序流程圖如圖4所示。為防止程序跑飛，在程序中加入了看門狗監(jiān)聽復位程序，一旦程序跑飛將重啟監(jiān)測終端設備。

4 接收端硬件設計

接收端的硬件設計只需將監(jiān)測終端設計去掉光功率測量單元，保留LoRa通信模塊部分和電源模塊部分即可適用。接收端LoRa通信模塊的參數(shù)配置和進入LoRa通信狀態(tài)配置過程與監(jiān)測終端基本一致，區(qū)別僅在于地址配置上和波特率上，在此不再贅述。需要注意兩點：第一，在“空中速率”參數(shù)配置上，監(jiān)測終端要與接收端保持一致；第二，“波特率”不小于“空中速率(19.2 kbps)”，否則FIFO將溢出。

5 接收端軟件設計

接收端主要完成數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)到PC端顯示。接收的數(shù)據(jù)有兩種：一種是監(jiān)測終端上傳的光功率數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)MCU只需要進行簡單的串口轉(zhuǎn)發(fā)即可；另一種數(shù)據(jù)是監(jiān)測終端發(fā)送的激活接入網(wǎng)測試字符串，對于這種數(shù)據(jù)需要向發(fā)送的監(jiān)測終端反饋一個特定的字符串，告知通信正常，可以開始正常監(jiān)測。在發(fā)送反饋數(shù)據(jù)時接收是被中斷的，在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后重新回到偵聽接收狀態(tài)。程序流程圖如圖5所示。

圖4 監(jiān)測終端程序流程圖

圖5 接收端程序流程圖

6 PC顯示端Labview設計

在PC端Labview設計前面板中，對監(jiān)測終端節(jié)點的光功率數(shù)據(jù)進行了直觀顯示，包括接入網(wǎng)絡的所有監(jiān)測節(jié)點光功率值表格顯示和單個節(jié)點光功率值的波形圖顯示。通過各監(jiān)測終端節(jié)點上傳的光功率值與預設的正常值范圍進行比較，就可以判斷各監(jiān)測節(jié)點的狀態(tài)，如果光功率低于預設值則報警。同時還將監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)以文本格式存儲，方便后續(xù)查看、調(diào)用。要特別說明的是，在運行程序配置Labview串口通信參數(shù)時要確保與接收端LoRa模塊串口配置一致，否則接收數(shù)據(jù)會出錯。

在光纖通信網(wǎng)絡中，用戶終端、支線、干線等線路位置對于光功率的要求是不一樣的，如在用戶終端要保證正常通信光功率值不能低于-25 dBm，而在支線和干線上光功率最低標準比用戶終端要高很多。由于各監(jiān)測終端節(jié)點所處的位置不同，就需要根據(jù)實際情況靈活設置各節(jié)點光功率值正常值范圍，而不采用固定值，程序框圖如圖6所示。根據(jù)預設的各節(jié)點光功率上下限對各節(jié)點狀態(tài)做出兩種判決：“正?！焙汀肮收稀保⑴袥Q狀態(tài)在監(jiān)測數(shù)據(jù)表格中顯示。

表格顯示部分包含各監(jiān)測終端節(jié)點的地址、上傳數(shù)據(jù)的時間、光功率值、設置的正常值范圍以及當前狀態(tài)等信息。這些信息以一秒為時間間隔不斷更新，只要監(jiān)測終端節(jié)點有上傳新數(shù)據(jù)就可以在表中清楚看到。波形圖顯示可以單獨選取某一個節(jié)點來觀察該節(jié)點在一段時間內(nèi)的波形走勢數(shù)據(jù)，更加具體地看出該節(jié)點的歷史狀態(tài)，該部分的程序框圖如圖7所示。

圖6 設置各節(jié)點光功率正常值范圍程序框圖

圖7 節(jié)點監(jiān)測值波形圖顯示程序框圖

在所有監(jiān)測終端節(jié)點都處于正常狀態(tài)時，故障報警指示燈為綠色，在指示燈旁邊的故障節(jié)點列表也為空。如果有故障發(fā)生故障指示燈將變?yōu)榧t色，并在旁邊的故障節(jié)點列表顯示故障節(jié)點。Labview程序設計前面板如圖8所示。

7 系統(tǒng)測試與結果分析

7.1 光功率測量單元測試

為驗證光功率測量單元性能，通過固定光源(波長為1 310 nm)經(jīng)過光衰減器進行光功率值的人工調(diào)節(jié)，然后輸入測量單元。測試數(shù)據(jù)與深光公司的光功率計測量結果進行對比，如表3所示。

表3 光功率測量數(shù)據(jù)對比

由表3數(shù)據(jù)可以看出，本設計的光功率測量單元測量精度達到了現(xiàn)有商用市場上的標準。測量誤差小，測量分辨率為0.01 dBm，測量范圍廣，可以滿足本設計測量需求。

7.2 LoRa通信測試

在LoRa通信測試中，模擬網(wǎng)絡包括一個數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端、一個LoRa通信中繼器和一個數(shù)據(jù)接收端，接收端通過串口與一臺PC相連，利用串口調(diào)試助手顯示采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在較空曠的街道上，天氣晴朗的條件下進行數(shù)據(jù)傳輸測試，每次監(jiān)測終端發(fā)送一百個數(shù)據(jù)包，在有中繼和無中繼的情況下數(shù)據(jù)的傳輸情況分別如表4和表5所示。

從表4和表5可以看出，在市區(qū)環(huán)境下無中繼的LoRa通信距離在1.5公里左右可實現(xiàn)數(shù)據(jù)無丟失傳輸，在三公里左右數(shù)據(jù)丟失嚴重。在有中繼的情況下數(shù)據(jù)無丟失傳輸距離提升到了3公里左右，通信距離到達5.3公里時數(shù)據(jù)丟失嚴重。

7.3 系統(tǒng)總體測試

采用兩個監(jiān)測終端節(jié)點、一個接收端和一臺PC進行系統(tǒng)總體測試。分別對兩個監(jiān)測終端和接收終端的LoRa通信模塊進行配置，兩個監(jiān)測終端地址分別設置為0X1001和0X1002，接收端地址設為0X0000，監(jiān)測終端波特率都設為9600，接收端波特率設為38400，其他參數(shù)配置如前所述。PC端Labview串口配置與接收端LoRa模塊的配置相同。接收端通過串口與PC相連，先運行接收端，再運行PC端Labview程序，最后運行兩個監(jiān)測終端。系統(tǒng)整體運行正常，可以在Labview前面板看到兩個監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)及狀態(tài)，如圖8所示。

表4 無中繼條件下LoRa通信測試結果

表5 有中繼條件下LoRa通信測試結果

圖8 系統(tǒng)總體測試Labview運行時前面板顯示

8 結論

本設計采用LoRa技術作為監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)上傳方式，LoRa技術解決了無線通信不能兼顧功耗與傳輸距離的問題。相對于GPRS、ZigBee等無線傳輸方式LoRa體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢。本設計組網(wǎng)實現(xiàn)簡單、方便，可完全擺脫對現(xiàn)有網(wǎng)絡的依賴，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)測終端設計在保證監(jiān)測能力的情況下，盡量降低功耗以延長監(jiān)測終端在電池供電情況下的工作時間。通過對系統(tǒng)的整體測試，系統(tǒng)測量精度高，數(shù)據(jù)傳輸延遲時間短，接收靈敏度高，監(jiān)測終端節(jié)點的加入或移除十分靈活，監(jiān)測數(shù)據(jù)及狀態(tài)可以通過PC端Labview直觀顯示，很好地滿足了光纖線路節(jié)點光功率監(jiān)測需求。