史東華 李然

摘要：為解決水文遙測系統(tǒng)建設中監(jiān)測要素多、選址難度大、傳輸距離遠和成本高等難題，結合LoRa傳輸技術的特點和優(yōu)勢，提出了一種以LoRa模塊為載體的連通感知節(jié)點到中繼節(jié)點的無線通信傳輸方式，設計了以STM32-CortexM3微控制芯片為硬件核心和以μC/OS-II實時操作系統(tǒng)為軟件核心的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應用可降低建站中布線、選址等難度，且能為水文遙測系統(tǒng)建設提供新的方法和思路。

關鍵詞：水文遙測;數(shù)據(jù)傳輸;LoRa技術;SX1268;微控制器

1 研究背景

水文遙測是基于現(xiàn)代信息技術、通信技術形成的一種技術[1-2]，主要完成水文要素的感知、存儲和通信傳輸，從而實現(xiàn)水文信息監(jiān)測的自動化。其中，數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)臅惩ê头€(wěn)定，直接影響到水文遙測系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。我國已建設大量水文遙測站并由此組成了水文自動測報系統(tǒng)，其通信方式多采用GPRS、4G、VHF及衛(wèi)星等無線方式或者有線方式[3]。

近年來，隨著無線通信技術的發(fā)展，以 WiFi、ZigBee、LoRa等技術為代表的無線通信技術逐步被各個行業(yè)采用。因受傳輸距離較近、參數(shù)配置不靈活等的限制，WiFi、ZigBee 等組網(wǎng)傳輸方式需要依靠有線串接的無線網(wǎng)關設備作為終端接入點，無法徹底擺脫對有線傳輸方式的依賴，難以實現(xiàn)現(xiàn)有水文遙測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩3]。LoRa是一種基于線性擴頻調(diào)制的低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）通信技術，它延續(xù)了頻移鍵控調(diào)制的低功耗特征，同時又增加了通信距離、抗多徑、抗干擾能力[4]。

本文提出將LoRa技術應用于水文遙測系統(tǒng)，能同時滿足低功耗與傳輸距離遠方面需求，對水文信息進行自動監(jiān)測，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 水文遙測系統(tǒng)建設

水文遙測站適用于對水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發(fā)、泥沙、冰凌、墑情、水質(zhì)等水文要素進行實時監(jiān)測，站點選址需考慮水文要素的代表性和可用的通信方式。水文遙測站點多建在野外，地處偏遠山區(qū)、河流、地形復雜地區(qū)等惡劣的自然環(huán)境，站點建設需考慮建設難易程度。

水文遙測系統(tǒng)建設的目標在于及時提供精準的水文數(shù)據(jù)信息，為水情預報和監(jiān)測提供數(shù)據(jù)保障。系統(tǒng)組網(wǎng)需要可靠穩(wěn)定的公共通信技術或有線方式，目前多采用GPRS/4G/北斗衛(wèi)星、公網(wǎng)/移動專線等。水文遙測系統(tǒng)的現(xiàn)狀多受建站位置和通信信號等因素制約。

系統(tǒng)在建設過程中存在以下問題：①一個水文站有多個監(jiān)測斷面且相距較遠時，受線路架設或通信方式制約，一套采集控制設備不能同時接入多個監(jiān)測斷面的傳感器，往往需要建設多套獨立的遙測站，增加了建站成本和單站多套數(shù)據(jù)整合的難度;②傳輸線路架設易受環(huán)境影響，多采用地埋方式，受干擾因素多，布設后不易檢修，地埋成本高;③在一些偏遠山區(qū)或地形復雜地區(qū)，水文監(jiān)測斷面沒有4G、衛(wèi)星等公共通信網(wǎng)絡或者信號較弱時，需要把站點建在公共信號較好的地點，增加建站和布線難度，甚至要調(diào)整傳感器布設位置;④對于小型水文自動測報系統(tǒng)，利用公共通信資源將增加使用成本;⑤雖然可以選用VHF通信方式，但由于雷擊、維護難度大等因素影響，水情數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性得不到保證，又存在通信速率低、誤碼率高、功耗大等不足，無法保證穩(wěn)定性，也增加了系統(tǒng)運行維護難度。

綜上，對于水文遙測數(shù)據(jù)的傳輸，希望有一種建設成本低、傳輸穩(wěn)定性高、暢通率高、功耗低、穩(wěn)定性高和易維護的數(shù)據(jù)傳輸方式。

3 LoRa技術

3.1 技術特點

LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的典型技術，具有超長距離傳輸、功耗低、數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)絡容量大等特點，且設計靈活性強。LoRa采用線性擴頻調(diào)制技術，通信距離可達15 km以上，空曠地方甚至更遠;相比其他廣域低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術，LoRa終端節(jié)點在相同的發(fā)射功率下可與網(wǎng)關或中繼通信更長距離;LoRa網(wǎng)絡工作在非授權的ISM頻段，適用于野外通信環(huán)境較差的應用場景;較長的通信距離降低了建網(wǎng)復雜度，從而降低了網(wǎng)絡的維護成本[5-6]。

3.2 應用優(yōu)勢

LoRa技術可有效解決水文遙測站建設中遇到的線路、信號等問題。①LoRa具有長距離傳輸、網(wǎng)絡容量大和靈活的特點，在布設水文要素傳感器時，遙測站只需控制設備接入多個傳感器，重點考慮傳感器布設的合理性和感知水情要素的代表性，布設更為靈活[7]。②LoRa在一定范圍內(nèi)可替代有線，不受傳感器間距離的影響，減少信號傳輸線路架設受干擾的因素、降低地埋成本，可避免線路中斷后不易檢查的問題[8]。③將LoRa中繼布設在4G公共移動通信或北斗衛(wèi)星等信號較好的位置即可，遙測站數(shù)據(jù)通過LoRa中繼轉(zhuǎn)為移動信號，通過此方式，可以解決不同的監(jiān)測斷面因公共移動信號不好無法使用4G或北斗的問題。④直接通過LoRa網(wǎng)關，可以將多個水文要素直接轉(zhuǎn)向傳輸距離內(nèi)的接收服務器，以低廉的成本即可建立不依靠專網(wǎng)的小型水文遙測組網(wǎng)系統(tǒng)。使用LoRa傳輸?shù)骄W(wǎng)關或中繼，可以減少4G移動通信、北斗衛(wèi)星等信道甚至是專網(wǎng)的使用，不僅節(jié)省了對公共通信資源的使用，也節(jié)約了成本。⑤LoRa傳輸可以替代傳統(tǒng)的VHF通信方式，提升傳送能力、降低誤碼率、減小功耗，減少維護難度和成本。

3.3 LoRa在水文遙測中的傳輸組網(wǎng)

結合LoRa技術的應用優(yōu)勢和水文遙測工作實際，建立LoRa傳輸系統(tǒng)。根據(jù)水情要素的代表性、傳感器布設合理性，以傳感器為中心布設若干個感知節(jié)點，組成感知節(jié)點層。選擇4G公共移動通信或北斗衛(wèi)星等信號較好的位置，布設中繼節(jié)點，中繼節(jié)點面向多個感知節(jié)點的數(shù)據(jù)交互。由此，水情數(shù)據(jù)完成向公共網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)向。傳輸系統(tǒng)可分為感知節(jié)點、中繼節(jié)點、公共/專用通信網(wǎng)絡和中心站服務器等4個部分，系統(tǒng)結構如圖1所示。

（1）感知節(jié)點由水情感知和LoRa模塊組成。水情感知點用于感知不同的水情數(shù)據(jù)，常見的有水位、雨量、流速、流量、溫度、鹽度和濁度等數(shù)據(jù)。利用LoRa模塊上傳感知節(jié)點的數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點。

（2）中繼節(jié)點位于星狀網(wǎng)絡的核心位置，負責接收來自多個感知節(jié)點的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行匯總組包后上傳。同時接收中心站服務器通過公共/專用通信網(wǎng)絡傳來的下行指令，對相應的感知節(jié)點進行指令操作。

（3）公共通信網(wǎng)絡為4G移動通信、北斗衛(wèi)星，專用通信網(wǎng)絡為有線專網(wǎng)、LoRa組網(wǎng)等網(wǎng)絡。

（4）中心站服務器為數(shù)據(jù)接收、處理、查詢和分析的終端。

這4部分相鄰層級之間的信息交互均為雙向，LoRa協(xié)議的多個感知節(jié)點和中繼節(jié)點構成了星形的LoRaWAN，中繼點由公共/專用通信網(wǎng)絡進入到指定服務器[9-10]。星型拓撲的網(wǎng)絡架構在大范圍部署時具有更低的網(wǎng)絡拓撲復雜度和能耗[11]。

4 系統(tǒng)設計

4.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件的設計，主要是以感知節(jié)點和中繼節(jié)點的設計為中心。對于節(jié)點傳輸來說，既要滿足數(shù)據(jù)的接收和輸出，也要滿足節(jié)點的低功耗。節(jié)點間傳輸采用Semtech公司開發(fā)的SX1268射頻模塊。SX1268射頻模塊靈敏度可達-148 dBm，通信距離可達5 km，鏈路預算最大168 dB，內(nèi)置UART通信接口，可直接與主控制器通過UART通信接口進行數(shù)據(jù)傳遞。通過改變M0和M1的不同組合可被設置為一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，AUX引腳可以指示狀態(tài)切換與數(shù)據(jù)接收提醒。

（1）感知節(jié)點硬件?；赟TM32-CortexM3系列低功耗微控制器主控芯片，芯片自帶UART接口，集成LoRa 無線通信射頻模塊、RS232接口、RS485接口、SDI12接口、IO接口、調(diào)試接口、LCD顯示、電源、感知傳感器等部分。LoRa 模塊的配置管理、收發(fā)控制等功能均在微控制器上編程實現(xiàn)。感知節(jié)點硬件架構見圖2。

（2）中繼節(jié)點硬件?；赟TM32-CortexM3系列低功耗微控制器主控芯片，芯片自帶UART接口，集成LoRa 無線通信射頻模塊、公共/專用通信網(wǎng)絡接口、調(diào)試接口、LCD顯示、電源等部分。中繼節(jié)點硬件架構見圖3。

4.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計中，感知節(jié)點和中繼節(jié)點各自實現(xiàn)功能不同，故需要設計不同的運行軟件。節(jié)點間的通信系統(tǒng)規(guī)定一套收發(fā)通信協(xié)議，保證節(jié)點之間通信的可靠性。軟件移植μC/OS-II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務在系統(tǒng)上的并發(fā)執(zhí)行。

（1）感知節(jié)點軟件。微控制器啟動后首先對SX1268模塊、通信接口、LCD顯示等部分進行初始化，系統(tǒng)自檢以確保初始化正常。對水情數(shù)據(jù)進行感知，通過SX1268模塊上傳至中繼節(jié)點。之后關斷傳感器的供電，將SX1268模塊切換至休眠模式以節(jié)省耗電，最后微控制器進入待機模式。休眠模式下的SX1268等待下一次來自中繼節(jié)點的喚醒，之后通過AUX引腳觸發(fā)微控制器喚醒中斷，微控制器喚醒初始化并感知數(shù)據(jù)后上傳，反復以上過程。感知節(jié)點工作流程見圖4。

創(chuàng)建Main_Task（）建立任務;創(chuàng)建Hydro_Ele_ Task（）等任務進行水情數(shù)據(jù)感知;創(chuàng)建Send_Recieve_Task（）任務進行和中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)交互。同時使用事件標志組來驅(qū)動多任務使CPU資源得到充分利用。

（2）中繼節(jié)點軟件。微控制器啟動分為定時自動啟動和來自公共/專用通信網(wǎng)絡的遠程喚醒啟動。

微控制器啟動后，首先對SX1268模塊、通信接口、LCD顯示等部分進行初始化，系統(tǒng)自檢以確保初始化正常。通過SX1268模塊向感知節(jié)點發(fā)送感知指令，然后等待數(shù)據(jù)返回，存儲數(shù)據(jù)，向公共/專用通信網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)。之后關斷傳感器的供電，將SX1268模塊切換至休眠模式以節(jié)省耗電，最后微控制器進入待機模式。休眠模式下的SX1268等待下一次微控制器喚醒，反復以上過程。中斷節(jié)點工作流程見圖5。

創(chuàng)建Main_Task（）建立任務;創(chuàng)建Device_Get_ Task（）任務進行感知節(jié)點感知任務;創(chuàng)建Save_Data_Task（）任務進行數(shù)據(jù)存儲;創(chuàng)建Send_Data_Task（）任務進行和公共/專用通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互。同時使用事件標志組來驅(qū)動多任務使CPU資源得到充分利用。

（3）節(jié)點安全。感知節(jié)點和中繼節(jié)點間的通信，采用握手方式和報文加密的方式保證數(shù)據(jù)安全。各個節(jié)點按照系統(tǒng)的網(wǎng)絡地址配置，各自分配唯一的通信地址且地址不公開，通信開始階段先進行握手，發(fā)送節(jié)點收到有效回執(zhí)后再發(fā)送數(shù)據(jù)。收到數(shù)據(jù)的節(jié)點根據(jù)加密方式進行解包和校驗，再進行后續(xù)處理。

4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

感知節(jié)點和中繼節(jié)點需要穩(wěn)定可靠的軟硬件設計平臺，選用YAC9900遙測終端作為載體實現(xiàn)實際應用。YAC9900遙測終端采用STM32-CortexM3的CPU架構，具有RS232接口、RS485接口、調(diào)試接口、LCD顯示和各種常見的接口，硬件資源豐富。軟件采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，符合本設計中的軟件實施條件。通過YAC9900遙測終端集成LoRa 無線通信射頻模塊，可以簡化設計過程，提高集成效率。

5 系統(tǒng)測試

對節(jié)點系統(tǒng)進行野外站點的測試，對數(shù)據(jù)通信暢通情況和功耗情況進行測試和驗證。

（1）通過設備聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)能夠順利完成感知節(jié)點水情數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，中繼節(jié)點順利完成了數(shù)據(jù)的存儲以及與感知節(jié)點、公共/專用通信網(wǎng)絡的交互。

測試LoRa模塊相互通信的數(shù)據(jù)丟包情況、傳輸距離，以及丟包率的對應關系。對感知節(jié)點和中繼節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸丟包率進行了測試，測試結果見表1。

測試情況表明：在2 km范圍內(nèi)丟包暢通率在90%以上，在遙測站點建設時可以優(yōu)先考慮水文要素傳感器布設的最優(yōu)選址;其次考慮在2 km以內(nèi)，結合4G移動通信或北斗衛(wèi)星信號強度、安裝難度、成本等因素安裝水文遙測終端設備，同時可以節(jié)約公共移動通信資源。

（2）測試LoRa模塊相互通信時的功耗情況，對各個模塊的平均功耗情況進行了統(tǒng)計，測試結果見表2～3。

將LoRa模塊的功耗情況與傳統(tǒng)的VHF電臺以ND886A（10W發(fā)射）進行對比，明顯得出LoRa模塊的發(fā)射電流、接收電流和休眠電流都明顯小于VHF電臺，體現(xiàn)出了功耗減小的優(yōu)勢。

（3）測試系統(tǒng)實際運行中的總體功耗情況，感知節(jié)點和中繼節(jié)點設備配置不同，各自部分的功耗情況不同，測試LoRa模塊和相關硬件部分功耗。在工作狀態(tài)時，整體功耗在200 mA以內(nèi);在休眠狀態(tài)時，整體功耗在10 mA以內(nèi)。將LoRa模塊用于野外環(huán)境中的水文遙測系統(tǒng)，可以有效保持系統(tǒng)的低功耗，利于運行和維護。

6結 語

本文針對水文遙測站點傳輸方式中存在的線路、信號等問題進行了分析，結合LoRa技術的特點和優(yōu)勢，分析了將LoRa技術應用到水文遙測站點建設中的應用優(yōu)勢。將LoRa通信模塊和水文遙測微控制器、多種水情感知要素的采集和傳輸進行結合，提出了軟硬件設計結構，為不同環(huán)境下的建站方式、選址、傳感器布設和優(yōu)化資源配置等提供了一種思路。系統(tǒng)選用YAC9900遙測終端作為載體對LoRa模塊進行集成，對系統(tǒng)的丟包率、功耗進行了測試。同時，系統(tǒng)設計還需要更多實際的驗證，在實際運行中進一步提高暢通率、降低功耗。如果實際測試保證了功耗低、通信距離長、暢通率高等優(yōu)點，在未來的運用中具有廣泛的前景。

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（編輯：唐湘茜）