劉懿俊，梁 軍，張 強

（深圳市地質局，廣東 深圳 518023）

0 引 言

我國地質環(huán)境復雜，地質活動頻繁，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發(fā)，受其影響和威脅的人口眾多[1]。為最大限度保障人民群眾生命財產安全，提供完善的地質災害監(jiān)測（地災監(jiān)測）預警系統(tǒng)至關重要。地災監(jiān)測系統(tǒng)中，需要傳感器對地質狀態(tài)進行實時監(jiān)測，數據采集（DAQ）系統(tǒng)對傳感器測量信息進行采集與回傳，通過數據實時分析及時發(fā)現地質狀態(tài)的異常變化，實現地災監(jiān)測[2]。地質監(jiān)測具有多種方式，包括無人機[3]、傳感器以及衛(wèi)星監(jiān)測等[4]。其中傳感器數據采集系統(tǒng)具有全時監(jiān)測、低成本以及高效傳輸等優(yōu)勢。

DAQ系統(tǒng)應用廣泛，針對不同應用需求，可以有針對性的設計相應DAQ系統(tǒng)[5-6]。對于需求簡單、環(huán)境友好的單一應用場景，DAQ系統(tǒng)設計易于實現，并具有極為穩(wěn)定的性能。然而，地災監(jiān)測系統(tǒng)安裝地點環(huán)境復雜，其對DAQ系統(tǒng)要求較高，如超長距離傳輸、低功耗運行、多頻段運行等，因此系統(tǒng)的設計難度較大。

2013年8月，Semtech公司發(fā)布了基于1 GHz以下的超長距、低功耗新型數據傳輸技術Long Range Radio（LoRa），其接收靈敏度可達-148 dBm，確保了網絡連接的可靠性。LoRa網絡主要由內置LoRa模塊終端、基站和服務器等組成，應用數據可雙向傳輸[7]。LoRa在極大改善數據接收靈敏度的同時，降低了功耗。其支持多信道多數據并行處理，系統(tǒng)容量大，支持測距和定位。LoRa技術已經被廣泛應用于海上救援系統(tǒng)[8]、地下礦井監(jiān)測[9]以及實驗室設備監(jiān)測[10]等領域的數據采集與監(jiān)測。

本文以LoRa雙頻段網關節(jié)點為基礎進行地災監(jiān)測的高集成度DAQ系統(tǒng)設計，在滿足地災監(jiān)測嚴苛的環(huán)境要求以及復雜的數據采集需求的同時，實現系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行。

1 地災監(jiān)測DAQ系統(tǒng)設計

應用于地災監(jiān)測的高集成度DAQ系統(tǒng)主要包括三大設計難點。

（1）系統(tǒng)需具有多頻段采樣能力：在地質活動穩(wěn)定期，地災監(jiān)測采用常規(guī)采樣頻率，采樣頻率較低；地質活動活躍期，采用應急監(jiān)測采樣頻率，采樣頻率較高。兩種監(jiān)測狀態(tài)可同時運行，且系統(tǒng)可根據地質活動狀態(tài)隨時進行不同監(jiān)測狀態(tài)的切換。

（2）地災監(jiān)測點不存在運營商信號，且監(jiān)測點間距離較遠，復雜的地質結構會對信號傳輸造成嚴重干擾，因此組建穩(wěn)定的局域網對數據進行集中回傳至關重要。

（3）地災監(jiān)測數據采樣周期長，一般3～5年為一個周期，且絕大部分監(jiān)測點不具備市電供電能力，設備能耗的良好設計至關重要。

針對地災監(jiān)測需求，提出基于LoRa雙頻段網關節(jié)點的DAQ系統(tǒng)設計方案。如圖1所示，系統(tǒng)以LoRa技術傳輸的網關和節(jié)點為主體，局域網關負責N（N≥30）個節(jié)點的控制與數據傳輸工作，每個節(jié)點負責M（M≥4）個傳感器（監(jiān)測點）的供電控制與數據采集等工作。上層服務器通過已有的數據傳輸協(xié)議與網關進行數據交換。局域網關與節(jié)點的良好設計可以很好地解決監(jiān)測點數據傳輸問題，采用LoRa傳輸技術可保證節(jié)點與網關之間長距離、多頻段的數據采樣與傳輸，自主電力系統(tǒng)可以實現節(jié)點與傳感器的長時間穩(wěn)定工作。

圖1 LoRa雙頻段網關節(jié)點設計

此外，系統(tǒng)還集成有其他輔助模塊，包括報警系統(tǒng)、離線機制、藍牙與無線網、北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)等。系統(tǒng)的封裝與安裝調試等設計也考慮了現場組網的復雜組裝環(huán)境以及惡劣的氣候。

2 LoRa雙頻段網關與節(jié)點設計

地災監(jiān)測的DAQ系統(tǒng)中存在不同節(jié)點同時監(jiān)測不同項目、不同監(jiān)測點具有不同采樣頻率需求、常規(guī)監(jiān)測和應急監(jiān)測并行以及供電要求不一致等問題。為解決以上問題，需引入多種頻段進行數據傳輸，同時保證數據無丟失、信道不擁堵、系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2.1 LoRa雙頻傳輸設計

多頻段設計重點在于防止信號之間的干擾以及數據傳輸擁堵，根據地災監(jiān)測需求設計的LoRa雙頻數據傳輸系統(tǒng)主要包括高速頻段和低速頻段，如圖2所示。高速頻段應用于應急地災監(jiān)測的高頻數據采集，數據采樣頻率為5～10 s/次；低速頻段用于常規(guī)地質災害監(jiān)測，數據采樣頻率為10～30 min/次。采樣速率可根據遠程服務器、系統(tǒng)內編程等進行實時切換。同時，系統(tǒng)也可根據采樣信息的現場分析結果實現自主切換：如DAQ監(jiān)測的單位窗口時間內地質運動頻繁，可自主將采樣速率調整為高速頻段；當監(jiān)測的單位窗口時間內地質運動較弱，則系統(tǒng)自主調整為低速頻段。LoRa雙頻段設計可以靈活為同一局域網內的不同地災監(jiān)測場景使用不同頻段，進行獨立的傳輸加密設計，在防止信號互相干擾的同時，有效避免信號傳輸擁堵，保證數據傳輸高效穩(wěn)定。

圖2 雙頻監(jiān)測設計

2.2 LoRa自主協(xié)議設計

LoRa具有完全開放的公用協(xié)議，對于地災監(jiān)測DAQ系統(tǒng)的設計方便可行。然而，單純采用公用協(xié)議雖可極大降低開發(fā)時間與成本，但存在信號傳輸干擾的風險。地災監(jiān)測一般處于開放的戶外，因此存在其他應用LoRa技術設備的可能性，一旦應用了相同LoRa公用協(xié)議的兩種系統(tǒng)彼此存在于各自有效數據傳輸范圍，必會產生信號干擾，將極大影響數據傳輸的安全和準確性。

以LoRa公用協(xié)議為基本框架進行獨立的私有數據傳輸協(xié)議自主開發(fā)，在區(qū)別于LoRa公用協(xié)議的同時，進一步對協(xié)議進行針對性改進，使協(xié)議更適用于地災監(jiān)測DAQ系統(tǒng)。例如，自主協(xié)議可自定義離線數據傳輸機制，有效防止數據丟包；自主協(xié)議也可以提高局域網的網組間距，并保證信號傳輸的安全與穩(wěn)定。

2.3 系統(tǒng)能耗設計

為保證DAQ設備良好運行，能源的穩(wěn)定供給尤為重要。不同于其他電子電力設備，地災監(jiān)測系統(tǒng)應用于不具備市電供電條件的無人地帶，欲滿足所有技術需求并同時保證設備在戶外長期在線監(jiān)測，需要優(yōu)秀的能耗管理與設計。能源設計主要從電力供應與降低功耗兩方面進行，如圖3所示。通過增大電池容量、提供太陽能電池板等措施提供有效的電力供應；通過設計超低功耗LoRa雙頻段硬件電路降低系統(tǒng)功耗。

圖3 系統(tǒng)能耗設計

低功耗硬件電路設計包括電路分離設計、多級電壓設計以及智能控制上電設計等。電路分離設計將系統(tǒng)的主電路與外圍電路進行分離供電。主電路保持全天候電力供應，保證服務器的實時通信，并隨時激活外圍電路。外圍電路保持全時休眠狀態(tài)，僅在受到主電路喚醒激活后進入監(jiān)測狀態(tài)。傳統(tǒng)DAQ系統(tǒng)為降低硬件設計難度與成本，忽略不同模塊的電壓需求差異，采用單一電壓的能源供應，導致部分元器件供能過剩，耗能過多。通過多級電壓設計，保證針對不同傳感器、硬件模塊等提供相應的需求電壓，使各硬件均可實現最低功耗的穩(wěn)定運行。普通監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器全時運行，上層數據采集模塊根據需求隨時從傳感器處調取測量數據，因此大部分時間傳感器處于無響應工作狀態(tài)，所設計的智能控制上電功能僅在上層出現數據采集需求時，系統(tǒng)才為傳感器提供電力并進行相關測量，極大降低傳感器端的能量消耗。

3 系統(tǒng)調試與實驗

3.1 LoRa節(jié)點模塊設計與調試

圖4所示為LoRa節(jié)點控制電路，設計節(jié)點能夠作為一個單節(jié)點網關正常工作，并具備4G模塊擴展能力。節(jié)點模塊同時集成傾角傳感器、振弦傳感器、溫度傳感器以及電池電壓傳感器，并均可實現穩(wěn)定工作與輸出。傳感器電壓開關控制正常，能夠給外部傳感器供電，其滿足5～12 V，1 A標準。服務器可對節(jié)點進行多參數切換控制，節(jié)點能夠正常上線并回復數據。在不超過LoRa網關標稱負荷的情況下，對節(jié)點進行數據傳輸壓力試驗，所有數據均能夠穩(wěn)定傳送到服務器。

圖4 節(jié)點控制電路

3.2 LoRa網關模塊設計與調試

網關模塊具有獨立設計的防中斷4G通信調度算法，正常工作條件下去掉網關4G模塊30 min隨即恢復4G模塊連接，服務器仍可收到帶有離線數據標記的完整數據。在理想射頻環(huán)境下，網關具備理論最大負載20%的數據傳輸超載能力，且超載條件下寫數據仍具有較小延遲以及100%上傳成功率。常規(guī)射頻環(huán)境下，節(jié)點上傳的數據包不超過200 B時，每個節(jié)點每2 s上報一個數據包的丟包率為0。

實驗中，網關模塊對通信干擾、頻道占用、數據擁塞具有很好的抵抗能力。網關能夠穩(wěn)定檢測傳送數據出錯，并通知節(jié)點進行重傳。在射頻干擾復雜、同頻設備過多的情況下，網關可能丟失部分數據包。

3.3 LoRa網關與節(jié)點協(xié)同壓力調試

在開闊地帶對LoRa網關與節(jié)點進行協(xié)同測試，實驗結果見表1所列。

通信距離不小于1 km，采用30個節(jié)點對單網關系統(tǒng)進行壓力測試：網關吞吐量不超過20%，丟包率小于5%，可穩(wěn)定重傳。

現場架設60個節(jié)點和3個網關，測試距離超3 km：在數據吞吐量不超過理論值20%的情況下，各子網均能夠正常獨立通信，丟包率下降到2%以下。

在以上系統(tǒng)壓力測試中，對任意一組網關進行掉電操作，30 min后重新上電，系統(tǒng)可恢復正常運行；在以上系統(tǒng)壓力測試中，對任意一組節(jié)點進行掉電操作，30 min后重新上電，系統(tǒng)可恢復正常運行。在所有調試實驗中，節(jié)點模組休眠電流均小于2 μA。

表1 網關節(jié)點協(xié)同壓力調試

4 結 語

以LoRa雙頻段網關節(jié)點為基礎，完成地災監(jiān)測的數據采集系統(tǒng)設計，如圖5所示。所設計系統(tǒng)通過LoRa技術完成低頻、高頻的雙頻段網關節(jié)點數據傳輸，實現低功耗長時間穩(wěn)定運行。以自主設計LoRa協(xié)議為基礎，在遠距離監(jiān)測范圍內實現抗外擾影響的穩(wěn)定數據傳輸。該設計經濟、高效、穩(wěn)定，同時集成有北斗定位等多種輔助功能，適用于大規(guī)模地災監(jiān)測。

圖5 LoRa雙頻段網關節(jié)點設備