劉懿俊

（深圳市地質(zhì)局，廣東 深圳 518023）

0 引 言

我國地質(zhì)環(huán)境復雜，地質(zhì)活動頻繁，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā)，受其影響和威脅的人口眾多。為最大限度保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，提供完善的地質(zhì)災害監(jiān)測（地災監(jiān)測）預警系統(tǒng)至關重要[1-2]。地災監(jiān)測具有多種方式，包括無人機、傳感器以及衛(wèi)星監(jiān)測等，其中傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有全時監(jiān)測、低成本以及高效傳輸?shù)葍?yōu)勢[3-4]。

數(shù)采系統(tǒng)應用廣泛，針對不同應用需求，可以有針對性的進行設計。對于需求簡單、環(huán)境友好的單一應用場景數(shù)采系統(tǒng)設計簡單，易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定。然而，地災監(jiān)測嚴苛的工作環(huán)境導致其對數(shù)采系統(tǒng)提出了諸多嚴苛的設計要求：采樣頻率多樣性、數(shù)采系統(tǒng)孤立性、系統(tǒng)故障冗余性等[5-6]。Semtech公司發(fā)布的基于1 GHz以下的超長距、低功耗新型數(shù)據(jù)傳輸技術Long Range Radio（LoRa），其接收靈敏度達-148 dBm，可確保網(wǎng)絡連接的可靠性。LoRa技術在極大改善數(shù)據(jù)接收靈敏度的同時，降低了功耗。其支持多信道多數(shù)據(jù)并行處理，系統(tǒng)容量大，支持測距和定位[7]。LoRa技術已被廣泛應用于控制系統(tǒng)以及實驗室設備監(jiān)測等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測[8-10]。

本文以LoRa多頻段網(wǎng)關節(jié)點為基礎，進行地災監(jiān)測數(shù)采系統(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(shù)據(jù)采集需求下，實現(xiàn)系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行。

1 地災監(jiān)測數(shù)采需求

1.1 采樣頻率多樣性

地災監(jiān)測系統(tǒng)以一定面積的監(jiān)測區(qū)域為測量單位：每個測量單位內(nèi)部的不同地點具有不同的監(jiān)測傳感器，用以監(jiān)測不同的物理信息；同一傳感器在不同地質(zhì)環(huán)境條件下具有不同的監(jiān)測方式。不同的傳感器和不同的監(jiān)測模式要求數(shù)采系統(tǒng)具有多種采樣頻率，并可根據(jù)環(huán)境條件的變化實時改變采樣頻率。

1.2 數(shù)采系統(tǒng)孤立性

地災監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測環(huán)境多為無人區(qū)，不具備便利的交通條件與通信條件，監(jiān)測環(huán)境導致數(shù)采系統(tǒng)孤立，為系統(tǒng)維護、信息通信、能源供應帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

1.3 系統(tǒng)故障冗余性

地災監(jiān)測系統(tǒng)具有3～5年的工作周期，監(jiān)測周期內(nèi)不具備人工修檢條件；一旦發(fā)生地質(zhì)災害，監(jiān)測系統(tǒng)必會受到影響。因此數(shù)采系統(tǒng)必須具備良好的冗余性，保證在一般故障條件下仍能正常運轉(zhuǎn)。

2 數(shù)采系統(tǒng)設計

2.1 頂層數(shù)采架構

地災監(jiān)測數(shù)采系統(tǒng)需要在廣闊的采集區(qū)域中對大量監(jiān)測點進行信號采集。大量的數(shù)據(jù)采集工作僅由一個上位機進行監(jiān)控具有較大的難度，同時，信息擁堵對傳輸效率的影響將大大增加。為實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行高度同步的實時采集，需建立多層級數(shù)采處理架構，數(shù)采架構為服務器-局域網(wǎng)關-節(jié)點-傳感器。網(wǎng)關節(jié)點通信設計如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關節(jié)點通信設計

（1）服務器一級數(shù)采總機；

（2）服務器下設N（N＞2）個局域網(wǎng)關；

（3）每個局域網(wǎng)關同時負責M（M≥30）個節(jié)點的控制與數(shù)據(jù)傳輸工作；

（4）每個節(jié)點負責P（P≥4）個傳感器（監(jiān)測點）的供電控制與數(shù)據(jù)采集等工作。

在常態(tài)工作（非地災狀態(tài)）下，節(jié)點首先對傳感器數(shù)據(jù)進行采集與預處理，以低傳輸數(shù)據(jù)率向局域網(wǎng)關傳送數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)關對下屬所有節(jié)點數(shù)據(jù)同樣以低數(shù)據(jù)傳輸速率向總機傳送數(shù)據(jù)。服務器總機面向N個局域網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)采集并存儲記錄，此時總服務器與各局域網(wǎng)關僅消耗了較小的通信帶寬就實現(xiàn)了對監(jiān)測環(huán)境的低頻全局監(jiān)測。

在警戒工作（局部地災狀態(tài)）下，當局部地區(qū)發(fā)生明顯地災變化時，節(jié)點對數(shù)據(jù)進行本地處理與分析。節(jié)點判斷異常地質(zhì)狀態(tài)后進行實時高速率數(shù)據(jù)傳輸，局域網(wǎng)關以相同速率輸送數(shù)據(jù)。服務器和局域網(wǎng)關的部分帶寬用于其他節(jié)點的常態(tài)監(jiān)測，部分帶寬用于非常態(tài)節(jié)點的數(shù)據(jù)監(jiān)測，實現(xiàn)對局部地區(qū)的高頻實時監(jiān)測。

在額定工況（全局地災狀態(tài)）下，當所有地區(qū)發(fā)生明顯地災變化時，那么所有節(jié)點將進行全速率數(shù)據(jù)輸送。由于局域網(wǎng)關與服務器帶寬有限，所有數(shù)據(jù)需降速傳輸，系統(tǒng)可以實現(xiàn)全局中頻實時監(jiān)測。

不同工作狀態(tài)下各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸率見表1所列。

表1 不同工作狀態(tài)下各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸率

2.2 LoRa多頻傳輸設計

通過數(shù)采架構設計可知，系統(tǒng)會同時存在常態(tài)低頻監(jiān)測、局部高頻監(jiān)測、全局中頻監(jiān)測等三種監(jiān)測模式。

多頻段設計的重點在于防止信號之間的干擾以及數(shù)據(jù)傳輸造成的擁堵，根據(jù)地災監(jiān)測需求，設計LoRa雙頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括高速、中速和低速頻段，3種頻段的數(shù)采頻率分別為0.2 s/次、2 s/次和200 s/次。LoRa多頻段設計可以靈活地為同一局域網(wǎng)內(nèi)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?shù)膿矶?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定。

采樣速率可通過上位機進行人工主動控制，實現(xiàn)某一節(jié)點的主動實時監(jiān)測；也可通過節(jié)點對監(jiān)測場景進行判斷，通過自動控制算法實時改變。

（1）監(jiān)測的單位窗口時間內(nèi)地質(zhì)運動頻繁，節(jié)點自主將采樣速率調(diào)整為高速頻段；當監(jiān)測的單位窗口時間內(nèi)地質(zhì)運動較弱時，節(jié)點自主調(diào)整為低速頻段。

（2）局域網(wǎng)關在帶寬允許的條件下，向服務器進行高速數(shù)據(jù)傳輸。下設節(jié)點高速傳輸較多時，對節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)進行間隔采集，使數(shù)據(jù)降速傳輸至服務器，避免數(shù)據(jù)擁堵。

LoRa多頻監(jiān)測控制與設計如圖2所示。

圖2 LoRa多頻監(jiān)測控制與設計

2.3 故障監(jiān)測與診斷

地災監(jiān)測系統(tǒng)需通過傳感器信號的變化對環(huán)境的變化進行實時監(jiān)測與判斷。但傳感器信號發(fā)生變化，不僅僅是由于地災變化導致。傳感器出現(xiàn)信號突變的主要情況如下：

（1）正常模式：傳感器監(jiān)測信號突變，正常監(jiān)測到地災變化，交送數(shù)據(jù)于上層節(jié)點；

（2）故障模式：無外力干擾情況下，傳感器發(fā)生故障，信號突變或無信號；

（3）損壞模式：無外力干擾情況下，傳感器硬件損壞，信號突變或無信號；

（4）破壞模式：地災變化，外力導致傳感器發(fā)生故障，信號突變或無信號；

（5）斷網(wǎng)模式：節(jié)點或局域網(wǎng)故障，數(shù)據(jù)傳輸失敗。

在模式（2）和模式（5）情況下，可以通過故障診斷算法或重啟進行恢復；在模式（3）和模式（4）情況下，由于傳感器硬件損壞，因此無法進行系統(tǒng)自我恢復。故上層服務器接收到故障信號后，需通過進一步的監(jiān)測與控制，判斷傳感器提供的突變信號的實際信息與意義，以便監(jiān)測系統(tǒng)正確響應。故障監(jiān)測與診斷流程如圖3所示。

圖3 故障監(jiān)測與診斷流程

（1）接收到1個傳感器的突變信號后，等待延時，判斷是否有其他傳感器存在信號突變；

（2）未接收到第二個突變信號，判斷監(jiān)測環(huán)境未發(fā)生地災變化，則啟動故障診斷子程序-A。

（3）接收到第二個突變信號后，判斷監(jiān)測環(huán)境發(fā)生地災變化，節(jié)點及上層局域網(wǎng)開啟高頻采集模式，同時啟動故障診斷子程序-B。

故障判斷子程序-A重啟傳感器后，重新進行數(shù)據(jù)抓取，若數(shù)據(jù)仍未回復，則判斷傳感器硬件故障；若數(shù)據(jù)回復，則判斷傳感器軟件故障。故障判斷子程序-B監(jiān)測傳感器信號是否實時變化，無變化則判斷為受外界地災環(huán)境影響導致傳感器硬件損壞，發(fā)出故障信號。

3 系統(tǒng)設計與實驗

圖4所示為LoRa節(jié)點控制盒內(nèi)部電路，所設計節(jié)點能夠作為一個單節(jié)點網(wǎng)關正常工作，具備4G模塊和GPS擴展能力。節(jié)點模塊同時負責所監(jiān)測區(qū)域的三軸傾角傳感器、三軸振動傳感器、溫度傳感器，確保所有傳感器的電源正常供電，數(shù)據(jù)采集工作正常開展。

圖4 節(jié)點控制電路

3.1 TCP連接壓力實驗

所有網(wǎng)關同時通過TCP向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)通信能力與承壓能力。通過TCP心跳模式定時發(fā)送小數(shù)據(jù)包，每5 s發(fā)送1次確認信號，檢測TCP連接是否正常，并驗證數(shù)據(jù)傳輸故障的回復能力。進行3次長時不間斷通信實驗，壓力測試結果見表2所列。

表2 壓力測試結果

（1）一次實驗不進行其他操作，僅進行144 h的不間斷通信測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)未出現(xiàn)故障。

（2）二次實驗，進行24 h不間斷測試，人為干預通信模塊信號強度、電力供應（降低信號強度與電力供應）。通信對應出現(xiàn)4次故障，通過故障診斷與控制，系統(tǒng)重啟并正常運行4次。

（3）三次實驗，進行24 h不間斷測試，人為改變IP地址2次，通過故障診斷與控制，系統(tǒng)重啟并正常運行2次。

通過測試，TCP連接與傳輸在硬件未完全失效的條件下，系統(tǒng)可以長時間正常運行，并在一般故障條件下可自動重啟恢復通信。

3.2 數(shù)據(jù)讀取實驗

數(shù)據(jù)采集程序會對每一個位置的傳感器進行連續(xù)5次讀數(shù)，3次以上讀數(shù)正常時，才會返回讀取值，否則系統(tǒng)報錯重啟。數(shù)據(jù)讀取實驗見表3所列。

表3 數(shù)據(jù)讀取實驗

對數(shù)據(jù)讀取進行壓力測試。一次、二次實驗分別進行低頻段、中頻段數(shù)據(jù)傳輸測試，無外界干擾條件下，系統(tǒng)正常進行數(shù)采工作。三次實驗進行高頻段采集，并人為短時間切斷傳感器數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)數(shù)采出現(xiàn)錯誤，未能正確讀數(shù)，系統(tǒng)自動重啟后重新開始數(shù)采工作。因此，在無外界影響硬件系統(tǒng)的條件下，數(shù)采系統(tǒng)可以進行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 GPS通信實驗

實驗中對GPS信號進行采集，對數(shù)采系統(tǒng)的定位可行性進行實驗驗證。實驗中，北斗衛(wèi)星搜索信號更強，衛(wèi)星數(shù)量更多，定位性能明顯優(yōu)于GPS系統(tǒng)。因此在數(shù)采系統(tǒng)運行時，優(yōu)先采用北斗系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)作為備份。實驗接收衛(wèi)星信號平均值見表4所列。

表4 實驗接收衛(wèi)星信號平均值

（1）第一次實驗未對系統(tǒng)進行任何人工干預，系統(tǒng)正常工作，無信號中斷情況。

（2）第二次實驗對系統(tǒng)降壓供電，系統(tǒng)CPU雖然能夠正常工作，但GPS芯片由于電壓不足而停止工作，發(fā)生一次中斷。系統(tǒng)重啟后正常運行。

（3）人為彎折GPS信號接收線，信號中斷。

由此可知，數(shù)采系統(tǒng)在無外界干擾影響系統(tǒng)硬件時，可以實現(xiàn)對GPS信號的長時穩(wěn)定收發(fā)。天線與GPS模塊之間的饋線不能出現(xiàn)彎折，GPS模塊必須固定，避免天線故障對監(jiān)測系統(tǒng)造成影響。

3.4 LoRa網(wǎng)關與節(jié)點協(xié)同壓力測試

在開闊地帶對LoRa網(wǎng)關與節(jié)點進行協(xié)同壓力測試，所有節(jié)點進行高頻數(shù)據(jù)發(fā)送，測試單網(wǎng)關系統(tǒng)與多網(wǎng)關系統(tǒng)下，服務器接收數(shù)據(jù)的情況。

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

（2）在同一地點，現(xiàn)場架設60個節(jié)點和3個網(wǎng)關，測試距離保證在3 km以上：在數(shù)據(jù)吞吐量不超過理論值20%的情況下，各子網(wǎng)均能夠正常獨立通信，丟包率小于2%。

（3）在以上系統(tǒng)壓力測試中，對任意一組網(wǎng)關、節(jié)點進行掉電操作，30 min后重新上電，系統(tǒng)均可恢復正常。在所有調(diào)試與實驗中，節(jié)點模組休眠電流均小于2 μA。

網(wǎng)關節(jié)點協(xié)同壓力調(diào)試見表5所列。

表5 網(wǎng)關節(jié)點協(xié)同壓力調(diào)試

5 結 語

通過測試，TCP連接與傳輸、數(shù)據(jù)傳輸工作、GPS信號收發(fā)工作在硬件未完全失效的條件下，系統(tǒng)可以長時間正常運行，并在一般故障條件下可自動重啟恢復通信。服務器可對節(jié)點進行多參數(shù)切換控制，節(jié)點能夠正常上線并回復。在不超過LoRa網(wǎng)關標稱負荷的情況下，對節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸壓力試驗，所有數(shù)據(jù)均能穩(wěn)定到達服務器。實驗中，網(wǎng)關能夠穩(wěn)定檢測傳送數(shù)據(jù)是否出錯，并通知節(jié)點重傳。該設計經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定，高度集成了北斗定位等多種輔助功能，適用于大規(guī)模的地災監(jiān)測。