尹小俊，陳崇成，李瑞興，王鳳姣

(1.閩江師范高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)系，福建 福州 350108；2.物聯(lián)網(wǎng)福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建 福州 350108；3.福州大學(xué)數(shù)字中國(guó)研究院，福建 福州 350108)

0 引言

應(yīng)急通信是指在自然災(zāi)害或公眾事件的緊急狀態(tài)下，提供的一種暫時(shí)穩(wěn)定、快速響應(yīng)的通信方式作為支撐，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)信息交互的即時(shí)需求.當(dāng)前，對(duì)于自然或人工災(zāi)害等應(yīng)急類場(chǎng)景，通常需要運(yùn)營(yíng)商的應(yīng)急保障車現(xiàn)場(chǎng)搭建微型通信基站，通過無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的接入.但基站與保障車需在一定距離內(nèi)維持有線連接，以持續(xù)供電確保通信鏈路的可靠性，具有應(yīng)用局限性[1].因此，如何克服應(yīng)急場(chǎng)景惡劣的通信環(huán)境，創(chuàng)新應(yīng)急通信方法成為當(dāng)前研究的主要趨勢(shì)[2-3].

近年來，為滿足社會(huì)發(fā)展需求，無人機(jī)的市場(chǎng)由原先的軍用級(jí)逐漸拓展至行業(yè)級(jí)、消費(fèi)級(jí)，小型無人機(jī)系統(tǒng)的推廣，使其功能按需求定制成為一種可能[4-5].低功率廣域網(wǎng)(low-power wide-area network，LPWAN)技術(shù)憑借低功耗、遠(yuǎn)距離與廣覆蓋等優(yōu)勢(shì)特別適合城市級(jí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，改變傳統(tǒng)依賴于基站中繼的信息收集與傳遞方式，能夠快捷、方便地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的覆蓋與遠(yuǎn)距離傳輸[6-8].

應(yīng)急環(huán)境通常存在基站損壞、區(qū)域弱覆蓋等現(xiàn)象，基于蜂窩的移動(dòng)通信系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡(luò)無法正常工作[9].與地面基站通信不同，衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站所提供的通信服務(wù)，工作穩(wěn)定且不易受自然災(zāi)害影響，特別適用于應(yīng)急場(chǎng)景[10].我國(guó)自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)近年得到了快速的發(fā)展，北斗衛(wèi)星全天候、無盲區(qū)的工作特點(diǎn)提供可靠性較高的定位、導(dǎo)航及通信服務(wù)，穩(wěn)定性較好的北斗短報(bào)文功能有效地解決了通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題[11-12].目前，基于北斗短報(bào)文的通信功能在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)[13]、海洋地質(zhì)[14]、氣象預(yù)警[15]等行業(yè)已廣泛應(yīng)用.

本研究從應(yīng)急場(chǎng)景的信息需求出發(fā)，以數(shù)據(jù)處理與傳輸方法為研究重點(diǎn)，使用傳感器采集、GPS定位、LPWAN傳輸、北斗短報(bào)文通訊等核心技術(shù)，集區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸為一體的感知傳輸系統(tǒng)，為應(yīng)急救援工作提供高效、準(zhǔn)確的信息獲取方式，更好地推進(jìn)應(yīng)急通信的多元化建設(shè).

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 總體架構(gòu)

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System of communication architecture

研究以物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典架構(gòu)為基礎(chǔ)，提出一種新型通信組合方法，結(jié)構(gòu)上以感知終端為采集節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集，采用LoRa技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；匯聚終端作為網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚，并集成北斗通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信.通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2 感知節(jié)點(diǎn)與匯聚終端

應(yīng)急場(chǎng)景下，無人機(jī)搭載感知節(jié)點(diǎn)執(zhí)行區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸并匯報(bào)節(jié)點(diǎn)位置以便后臺(tái)定位跟蹤，結(jié)構(gòu)如圖2(a).匯聚終端完成感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收、歸類與備份，集成北斗模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信.終端集成LoRa與北斗兩大傳輸模塊，分別用于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)傳輸與服務(wù)端遠(yuǎn)程通信，如圖2(b).匯聚終端嵌入GPS模塊，通過地理位置信息為無人機(jī)的路徑規(guī)劃提供依據(jù).

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the hardware

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

近年來，以LoRa為典型低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，解決了以往無線通信領(lǐng)域中通信距離與功耗的矛盾[16]，它在相同功耗的條件下比其他無線方式傳輸距離更遠(yuǎn)，無障礙的最佳通信距離可達(dá)20 km.不同于目前主流的頻移鍵控(frequency-shift keying，F(xiàn)SK)機(jī)制的無線通信系統(tǒng)，LoRa基于chirp[17-18]擴(kuò)頻調(diào)頻調(diào)制方式，突破了傳輸距離和功耗的限制，呈現(xiàn)了真正意義上低成本、低功耗與長(zhǎng)距離的全新通信技術(shù)，逐漸在燈控[19]、泊車[20]、電力[21]等領(lǐng)域得到應(yīng)用.

北斗短報(bào)文的通信、位置上報(bào)、應(yīng)急報(bào)警等功能較好地適應(yīng)戶外環(huán)境，可在應(yīng)急救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)、森林巡檢等行業(yè)提供服務(wù).實(shí)際應(yīng)用可在應(yīng)急場(chǎng)景的關(guān)鍵區(qū)域部署一定數(shù)量感知節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化部署策略，使用一個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯聚，最終通過北斗短報(bào)文功能完成協(xié)議報(bào)文的遠(yuǎn)程上傳.

2 實(shí)現(xiàn)過程

2.1 感知節(jié)點(diǎn)電源

圖3 感知節(jié)點(diǎn)電源方案Fig.3 Power supply scheme of sensory node

以往節(jié)點(diǎn)使用堿性電池等供電方案，多為一次性使用耗材，回收利用存在一定困難，且存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn).本節(jié)點(diǎn)采用鋰電池對(duì)主板持續(xù)供電，兼容移動(dòng)電源與太陽(yáng)能電池充電接口，如圖3所示，供電系統(tǒng)分為降壓與升壓兩模塊.其中，3.3 V-A對(duì)主控系統(tǒng)及指示、報(bào)警等模塊供電，3.3 V-B作為備用電源在LDO模塊失效后能快速接入.同時(shí)，LoRa寬電壓特性支持2.5～5.5 V電源，故設(shè)計(jì)3.3 V-C滿足LoRa模塊調(diào)試.此外，升壓模塊的5 V與12 V可用于傳感器供電調(diào)試.

2.2 GPS定位與LoRa傳輸

為獲取感知節(jié)點(diǎn)地理位置，節(jié)點(diǎn)配置中科微ATGM336H定位模塊，如圖4所示.圖4中U201接入獨(dú)立可控的3.3-B電源供電，在引腳VBAT上預(yù)留紐扣電池防止主電源供電失效.LoRa模塊選型無線串口AS62-T30，數(shù)據(jù)收發(fā)長(zhǎng)度達(dá)256 B.圖4中U205引腳MD0、MD1與MCU通過高低電平輸入實(shí)現(xiàn)模塊的正常、喚醒及休眠模式，引腳AUX可輸出不同時(shí)長(zhǎng)的高低電平，用于無線收發(fā)工作指示.

圖4 定位與傳輸模塊電路Fig.4 Circuit of location and transmission module

2.3 感知節(jié)點(diǎn)任務(wù)流程

感知節(jié)點(diǎn)的任務(wù)流程，劃分為接口資源初始化、傳感器驅(qū)動(dòng)、GPS數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)融合、LoRa無線傳輸?shù)?，如圖5所示.感知節(jié)點(diǎn)上電后啟動(dòng)狀態(tài)自檢，其數(shù)據(jù)采集與傳輸過程獨(dú)立進(jìn)行，采集周期通過指令實(shí)時(shí)可控.為實(shí)現(xiàn)“采發(fā)獨(dú)立”，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包生成周期約3 s，適應(yīng)北斗短報(bào)文1 min的發(fā)送周期要求，合理設(shè)置圖5定時(shí)時(shí)間，啟動(dòng)LoRa初始化配置，將備份區(qū)內(nèi)最新采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸至匯聚終端.

圖5 感知節(jié)點(diǎn)事件流程Fig.5 Event flow of sensory node

2.4 北斗通信與協(xié)議設(shè)計(jì)

匯聚終端的北斗通信是實(shí)現(xiàn)感知層與應(yīng)用層鏈接的唯一通道.模塊采用福大北斗自研的北斗短報(bào)文一代FB3154.設(shè)計(jì)圖6電源管理D與E供電并調(diào)試，分別滿足北斗通信的收發(fā)功能.

圖6 北斗電源電路與通信調(diào)試Fig.6 Power circuit of Beidou and communication debugging

感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過北斗模塊的短報(bào)文實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，應(yīng)遵循北斗2.1版本的接收機(jī)協(xié)議，需配備北斗通信卡獲取授權(quán)，系統(tǒng)采用民用領(lǐng)域三級(jí)卡，短報(bào)文長(zhǎng)度限制為78.5 B，如圖7所示.結(jié)構(gòu)包含一、二、三級(jí)字段，一級(jí)字段為北斗協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，占5 B，起始符與結(jié)束符分別以‘$’、‘*’固定填充，中間字段用‘,’分隔，校驗(yàn)碼是將‘$’與‘*’間字節(jié)(含分隔符)異或運(yùn)算以確認(rèn)報(bào)文可靠性；二級(jí)字段中控制指令通過串口下發(fā)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)热蝿?wù)，目的地址為接收方的通信地址，傳輸方式選擇漢字與字符混合制；三級(jí)字段為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，根據(jù)需求自定義設(shè)計(jì).表1示例，報(bào)文僅占39 B，由于北斗短報(bào)文的發(fā)送周期最小間隔為1 min，為提升通信效率，可設(shè)置每條短報(bào)文含2條節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，共占68 B，符合長(zhǎng)度限制.

圖7 協(xié)議設(shè)計(jì)Fig.7 Design of protocol

表1 數(shù)據(jù)報(bào)文示例

3 測(cè)試分析

3.1 測(cè)試方案

圖8 測(cè)試總方案Fig.8 Scheme of general test

受限于環(huán)境測(cè)試與資源分配等因素，本次研制設(shè)備數(shù)量為3臺(tái).其中，感知節(jié)點(diǎn)2臺(tái)(編號(hào)01、02)，分別定義為感知層數(shù)據(jù)獲取與傳輸層中繼接力；匯聚終端1臺(tái)(編號(hào)03)，定義為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成遠(yuǎn)程北斗通信.測(cè)試分為地面與空中兩個(gè)階段，執(zhí)行線性傳輸方式，測(cè)試總方案如圖8所示.

3.2 地面測(cè)試

地面通信測(cè)試選取福州市橘園洲特大橋、浦上大橋與灣邊大橋，可視直線范圍內(nèi)無明顯障礙物，設(shè)置兩類方案進(jìn)行通信效果測(cè)試，具體如下.

方案一： 節(jié)點(diǎn)01與節(jié)點(diǎn)03布放于橘園洲大橋，相距約500 m；節(jié)點(diǎn)02布放于浦上大橋，與節(jié)點(diǎn)01相距約3.6 km，與節(jié)點(diǎn)03相距約3.2 km，部署如圖9(a)所示.

方案二： 節(jié)點(diǎn)01與03布放于橘園洲大橋，相距約500 m；節(jié)點(diǎn)02布放于灣邊大橋，與節(jié)點(diǎn)01相距約7.9 km，與節(jié)點(diǎn)03相距約7.5 km，部署如圖9(b)所示.

圖9 部署與測(cè)試Fig.9 Deployment and test

節(jié)點(diǎn)01生成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，通過LoRa發(fā)送至節(jié)點(diǎn)02的LoRa接收，并轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)03，通過北斗模塊發(fā)送至北斗移動(dòng)終端.經(jīng)隨機(jī)報(bào)文測(cè)試可知，節(jié)點(diǎn)與終端LoRa線性組網(wǎng)，在3.0～4.0 km通信距離內(nèi)無丟包與延遲.表2為方案一測(cè)試結(jié)果，定點(diǎn)距離檢測(cè)功率，均可收到4個(gè)波速信號(hào)強(qiáng)度.后臺(tái)可實(shí)時(shí)接收并解析報(bào)文，在3.6 km的通信距離內(nèi)，報(bào)文收包比可達(dá)100%，具有較高的穩(wěn)定性.

表2 方案一測(cè)試

方案二轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制與方案一相同，但節(jié)點(diǎn)02與節(jié)點(diǎn)03接收數(shù)據(jù)包后，都將解析并添加本機(jī)傳感器數(shù)據(jù)與地理位置信息，封裝后再執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)，測(cè)試結(jié)果列于表3，執(zhí)行協(xié)議報(bào)文測(cè)試時(shí)，距離延長(zhǎng)致使北斗模塊驅(qū)動(dòng)力減弱，收包比降至54.01%.同時(shí)，LoRa線性傳輸在此邊緣距離內(nèi)，節(jié)點(diǎn)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的丟包現(xiàn)象.

表3 方案二測(cè)試

3.3 空中測(cè)試

空中測(cè)試選取福州大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園1號(hào)樓前廣場(chǎng).考慮實(shí)際載重與掛載安裝情況，無人機(jī)選型大疆精靈.節(jié)點(diǎn)01、節(jié)點(diǎn)03與北斗移動(dòng)終端布放至廣場(chǎng)圓臺(tái)中央，節(jié)點(diǎn)02掛載至無人機(jī)上進(jìn)行升空測(cè)試，如圖10(a).無人機(jī)于科技園內(nèi)1號(hào)樓前廣場(chǎng)起飛，依次升空距地面節(jié)點(diǎn)的空間距離為0.5、1.0、1.5、2.0 km處進(jìn)行傳輸測(cè)試，執(zhí)行地面測(cè)試方案二數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制.以過半收包率作為最大通信距離標(biāo)準(zhǔn)，定點(diǎn)間隔距離處執(zhí)行10條數(shù)據(jù)包的收發(fā)測(cè)試，如圖10(b).可知： 受無人機(jī)天線干擾，當(dāng)節(jié)點(diǎn)02的LoRa天線放置在無人機(jī)頂端天線中間時(shí)，節(jié)點(diǎn)間最大通信距離約為1.0 km；當(dāng)天線放置在封裝殼體底部時(shí)，最大通信距離約為1.5 km；當(dāng)天線放置于無人機(jī)升降架上，由于無人機(jī)續(xù)航限制，實(shí)測(cè)節(jié)點(diǎn)距離在2.0 km內(nèi)，獲得較好通信效果.同時(shí)，LoRa天線置頂或置底時(shí)，空中通信若超出上述距離，節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象.

圖10 部署與升空測(cè)試Fig.10 Deployment and test of launching

4 結(jié)語(yǔ)

研究提出一種基于LoRa集成北斗的新型通信組合機(jī)制.經(jīng)地面與空中實(shí)驗(yàn)，研究組合通信的距離閾值.空中測(cè)試表明，無人機(jī)與LoRa天線在未沖突頻段運(yùn)行時(shí)，傳輸效果也會(huì)受到一定干擾.綜上，基于LoRa集成北斗的通信機(jī)制在有效范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定的通信質(zhì)量，解決了當(dāng)前應(yīng)急場(chǎng)景下存在的通信盲區(qū)問題，為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取提供一種新型通信方式，具有一定應(yīng)用價(jià)值.

本次測(cè)試方案也存在需改進(jìn)之處： 測(cè)試環(huán)境上，可設(shè)高樓、樹木等障礙物測(cè)試傳輸性能；傳輸方式上，可增加感知節(jié)點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)一步探索LoRa組網(wǎng)研究，以適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景需求；節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，還可進(jìn)行無人機(jī)路徑規(guī)劃與數(shù)據(jù)挖掘等相關(guān)研究，從而豐富應(yīng)急響應(yīng)體系的場(chǎng)景應(yīng)用.