吳藝豪，王洪輝，孟令宇，魏超宇，卓天祥，鐘 盼，劉 一

(1. 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059;2. 成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

0 引 言

我國地質(zhì)與地理環(huán)境復雜，是世界上地質(zhì)災害最嚴重的國家之一。根據(jù)相關資料顯示，在2009-2018年間，我國發(fā)生地質(zhì)災害12萬余次，造成450余億的直接經(jīng)濟損失和8千余人傷亡[1]，嚴重影響了人民的正常生產(chǎn)生活，一定程度上制約了我國的可持續(xù)發(fā)展。地質(zhì)災害已成為當前精準扶貧事業(yè)中“因災致貧、因災返貧”的潛在風險之一。開展地質(zhì)災害監(jiān)測預警研究尤其顯得必要、迫切。

由于地質(zhì)災害監(jiān)測區(qū)多在山區(qū)，地形復雜，有線數(shù)據(jù)傳輸十分困難，因此，無線傳輸是實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)快速、可靠傳輸?shù)膬?yōu)選方式之一[2]。同時，由于監(jiān)測現(xiàn)場自然環(huán)境惡劣，植被覆蓋多，供電不足、信號不穩(wěn)等問題也對無線傳輸系統(tǒng)造成了極大的挑戰(zhàn)。對于傳統(tǒng)的單點獨立通信式監(jiān)測系統(tǒng)，多采用2G/3G/4G以及NB-IoT方式[3-4]，每個監(jiān)控點獨立進行數(shù)據(jù)采集并通過運營商網(wǎng)絡進行傳輸，受限于運營商網(wǎng)絡在地形復雜環(huán)境下的不穩(wěn)定情況；SMS通道屬于信令信道，相較數(shù)據(jù)信道具有更高的優(yōu)先級，通過其傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)具有更優(yōu)的穩(wěn)定性。同時，也有采用北斗短報文傳輸?shù)陌咐齕5-6]。然而，以上方法仍存在成本高、數(shù)據(jù)傳輸量小、耗電量大等問題（如表1所示）。

表1 常見無線通信方式對比

遠距離無線傳輸技術（long range radio,LoRa）與Zigbee作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的代表技術，常用于物聯(lián)網(wǎng)設備組網(wǎng)。然而，Zigbee僅能支持百米內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，一般用于室內(nèi)場景或小規(guī)模傳感器網(wǎng)絡[7]。根據(jù)測試，LoRa具備更低的功耗和更廣泛的覆蓋范圍，能夠適用于復雜環(huán)境下監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸[8-9]。自2015年3月LoRa聯(lián)盟成立以來，目前聯(lián)盟成員已突破500家，包括芯片生產(chǎn)、傳感器生產(chǎn)、電信運營商等產(chǎn)業(yè)鏈[10]。同時，LoRa也在智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等領域有著廣泛的應用[11-15]。然而，針對地質(zhì)災害監(jiān)測領域，仍未有成熟應用。因此，本文通過系統(tǒng)設計和現(xiàn)場實驗，測試了LoRa在地質(zhì)災害監(jiān)測的數(shù)傳部分的適應性及可行性，為復雜山地環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸提供一種新的可行方案。

1 數(shù)傳系統(tǒng)總體設計

數(shù)傳系統(tǒng)結構如圖1所示，由匯聚主節(jié)點（網(wǎng)關）、采集子節(jié)點兩部分組成。系統(tǒng)采用遠距離無線傳輸技術（LoRa）作為通信手段，采用星形拓撲結構，實現(xiàn)匯聚主節(jié)點對采集子節(jié)點的控制和監(jiān)測參數(shù)的匯聚。

圖1 系統(tǒng)結構

采集子節(jié)點主要包括供電系統(tǒng)、傳感器、控制器、調(diào)試接口及LoRa通信模塊，主要負責響應匯聚主節(jié)點指令采集和傳輸現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)。其中，監(jiān)測的主要參數(shù)包括地表位移、降雨量及傾角，器件選型如表2所示[16]。

匯聚主節(jié)點主要包括供電系統(tǒng)、控制器、調(diào)試接口、NB-IoT/4G網(wǎng)絡模塊及LoRa通信模塊，以LoRa為通信鏈路，主要負責控制采集子節(jié)點，接收各節(jié)點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地質(zhì)災害現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匯聚、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。借助NB-IoT/4G網(wǎng)絡，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至預警平臺服務器，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的超遠程傳輸。

2 數(shù)傳系統(tǒng)硬件設計

2.1 微控制器

控制器用于控制通信模塊并通過采集傳感器采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用片內(nèi)資源相對豐富、處理能力相對較強的STM32單片機（STM32F103），最高72 MHz的工作頻率以及內(nèi)部集成的AD模塊、串口及定時器等資源能夠極好地實現(xiàn)相應的功能。

2.2 LoRa模塊

LoRa是低功耗廣域網(wǎng)（LP-WAN）的代表技術之一，其基于線性Chirp擴頻調(diào)制解調(diào)技術，相較于傳統(tǒng)的FSK及OOK調(diào)制方式，具有更廣的有效覆蓋范圍和更高的接收靈敏度[17]。同時，前向糾錯編碼（forward error correction,FEC）的應用極大提高了其信號傳輸?shù)目煽啃?，AES128加密的加入也為數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩蕴峁┝吮Ｕ稀?/p>

主要特征包括：

1）遠距離：接收靈敏度可達–148 dBm。

2）能耗低：接收電流 10 mA，發(fā)射電流 120 mA，休眠電流0.2μA。

3）網(wǎng)絡容量大：支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理。

4）成本低：終端芯片1.5～2美元。

本系統(tǒng)采用Semtech公司生產(chǎn)的SX1278無線模塊，其采用特殊的LoRa調(diào)制技術，可工作于137～525 MHz頻率范圍。而根據(jù)不同的工作頻段，需將接收天線電路連接至如表3所示的相應射頻輸入引腳。根據(jù)中國 ISM（industrial scientific medical band）頻段范圍，選擇頻段2作為工作頻段。同時，射頻輸入和射頻輸出通過射頻開關芯片共用天線。其余主要構成部分包括晶振電路、通信接口、數(shù)字I/O，其外圍電路原理圖如圖2所示。

表3 射頻輸入引腳分配

圖2 SX1278外圍電路原理圖

2.3 電源模塊

在地質(zhì)災害監(jiān)測中，受限于野外環(huán)境，傳統(tǒng)的監(jiān)測設備通常采用太陽能電池板供電，而監(jiān)測點的位置往往難以保證良好的光照條件。本系統(tǒng)中，匯聚主節(jié)點能夠選擇性安裝于光照良好的區(qū)域，采用蓄電池與太陽能電池板混合供電，采集子節(jié)點則采用大容量鋰電池供電。同時，系統(tǒng)各模塊的供電由單獨的電源管理芯片控制，具體設計參數(shù)及電源芯片選型建議如表4所示。

表4 系統(tǒng)各電源模塊設計參數(shù)

3 控制程序設計

面向山區(qū)的災害監(jiān)測數(shù)傳系統(tǒng)需要滿足一定的實時性，并且在系統(tǒng)空閑時盡可能保持休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗，以提高各節(jié)點的工作壽命。因此，控制程序采用了時間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度策略，通過云端下發(fā)的采集指令或預設的采集周期喚醒相應的采集子節(jié)點，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與上傳。

3.1 程序模塊劃分

系統(tǒng)單片機控制程序分為匯聚節(jié)點控制程序和采集子節(jié)點控制程序。其中，采集子節(jié)點控制程序劃分為3個模塊，分別是數(shù)據(jù)采集程序模塊、數(shù)據(jù)傳輸程序模塊及人機接口程序模塊（圖3（a））；匯聚節(jié)點控制程序劃分為兩個模塊，分別是數(shù)據(jù)傳輸程序模塊及人機接口程序模塊（圖3（b））。其中，人機接口模塊供檢修使用，在正常工作時處于禁用狀態(tài)。

圖3 程序模塊劃分

3.2 組網(wǎng)設計

監(jiān)測系統(tǒng)建立后，系統(tǒng)將建立一對多的星形網(wǎng)絡拓撲。為識別各通信節(jié)點，每個通信節(jié)點均有SX1278射頻模塊所分配的網(wǎng)絡地址及設備自身的SN號。其中，匯聚主節(jié)點的網(wǎng)絡地址為0XFFFF，采集子節(jié)點的網(wǎng)絡地址范圍為0X1000-0XF000。在通信過程中，為保障不同類型的采集支點和通信基站的數(shù)據(jù)傳輸，定義統(tǒng)一的通信數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

圖4 LoRa傳輸格式

該格式為26位字符構成，其中第2位到第14位為設備SN號，第16位到第19位為參數(shù)類型，第21位到第25位為采集參數(shù)。

SN號碼為13位數(shù)字組成，第1位到第3位為保留代碼，第4位到第7位為制造年份，第8位到第9位為傳感器類型代碼（見表5），第10位到第13位為設備編號，如圖5所示。

表5 設備類型

圖5 SN號碼格式示例

系統(tǒng)組網(wǎng)流程圖如圖6所示。系統(tǒng)運行過程中，采集指令由匯聚主節(jié)點向采集子節(jié)點定時發(fā)送以實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)的定時采集。同時，云服務器也可通過4G/NB-IoT下發(fā)相應的配置指令修改采集時間等運行參數(shù)及下發(fā)采集指令獲得實時數(shù)據(jù)。采集子節(jié)點在工作期間將保持休眠狀態(tài)，期間以2 s為周期間隔啟動LoRa模塊，偵聽信道狀態(tài)。當偵聽到喚醒前導碼后將通過外部中斷喚醒系統(tǒng)，采集相應監(jiān)測參數(shù)之后發(fā)送數(shù)據(jù)至匯聚主節(jié)點，匯聚主節(jié)點則將相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務器，完成記錄與分析。

圖6 組網(wǎng)流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試設備及方法

4.1.1 測試環(huán)境

為驗證LoRa在山區(qū)復雜環(huán)境及密林中的通信效果，系統(tǒng)在四川省某泥石流監(jiān)測預警站進行了應用測試。監(jiān)測區(qū)域包括兩條泥石流溝道，地形復雜，植被覆蓋茂密。在測試區(qū)域共選定2個匯聚主節(jié)點位（B101、B102）和7 個采集子節(jié)點位（M101～M107），相對位置關系如圖7所示。其中，B102與M107之間相對最大高差為100 m，B101與M103之間非視距離為 816 m，B101與 M103、M104之間有山體阻隔，B102與M105之間存在泥石流攔石壩，M103處有密集的植被覆蓋。

圖7 測試點位相對位置示意圖

4.1.2 測試設備

為測試LoRa的實際通信效果，設計試驗方案為：將采集子節(jié)點放置于待測位置，進入測試模式中，其將以30 s為周期向匯聚主節(jié)點發(fā)送報文，匯聚主節(jié)點在收到報文后回復應答報文至采集子節(jié)點，采集子節(jié)點接收到應答報文后比較兩項報文內(nèi)容以驗證所傳輸數(shù)據(jù)的準確性。同時，通過讀取SX1278模塊的內(nèi)部寄存器，獲得通信過程中的信號強度及SNR數(shù)據(jù)。本次測試主要為驗證通信效果，未連接相關傳感器。

受限于監(jiān)測點位的安裝空間，采集子節(jié)點使用體積較小的10 dBi天線，匯聚主節(jié)點采用體積較大的35 dBi銅棒天線。實驗設備如圖8所示。

圖8 實驗設備

測試時LoRa通信模塊的工作參數(shù)如表6所示。

表6 LoRa通信節(jié)點配置

4.2 測試數(shù)據(jù)

4.2.1 通信驗證

數(shù)據(jù)丟包率及信號強度測試能夠反映LoRa在山區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。通過在所選定的各測試點進行相關測試，取得的測試數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 LoRa信號測試數(shù)據(jù)

由表7可得，根據(jù)不同的環(huán)境及距離，各個節(jié)點的通信質(zhì)量不盡相同。參與測試的7個節(jié)點中，M105的通信質(zhì)量弱于其他節(jié)點。根據(jù)現(xiàn)場情況，M105與B102之間有泥石流攔石壩，對信號有一定的阻礙作用，故而LoRa的數(shù)據(jù)傳輸能力有所下降?？傮w上，設備平均丟包率為2%，最大丟包率為4%，能夠滿足地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸需求。

4.2.2 功耗測試

為評估數(shù)傳節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送以及靜態(tài)工作時的功耗，使用優(yōu)利德UT804型臺式萬用表對處于連續(xù)發(fā)射狀態(tài)和休眠狀態(tài)的數(shù)傳節(jié)點進行了測試。結果表明，在3.6 V供電條件下，LoRa在連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)射時的工作電流為138.29 mA，靜態(tài)休眠電流 54 μA（2000 ms），靜態(tài)偵聽最大電流 8.91 mA（80 ms），平均靜態(tài)電流為 0.39 mA。設計電池容量為19000 mAh，可保證其在待機狀態(tài)工作2029天。

5 結束語

本文設計了一種基于LoRa的地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用SX1278模塊組成了星形網(wǎng)絡拓撲，各采集子節(jié)點根據(jù)匯聚主節(jié)點所設定的監(jiān)測周期或服務器下發(fā)的實時監(jiān)測指令動態(tài)采集監(jiān)測指標，改善了傳統(tǒng)單點獨立通信的監(jiān)測節(jié)點所面臨的運行成本高、信號覆蓋不穩(wěn)定，工作電流大等問題，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的低成本傳輸。通過在某泥石流監(jiān)測現(xiàn)場的實際測試，初步驗證了該數(shù)傳系統(tǒng)在山區(qū)復雜環(huán)境下的通信能力及可靠性，可為地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸提供參考。然而，考慮到災害體所處地質(zhì)環(huán)境的復雜程度不一，今后可增加不同條件下的參數(shù)測試數(shù)據(jù)，以便進一步驗證LoRa數(shù)傳系統(tǒng)在山區(qū)地質(zhì)災害監(jiān)測中的性能。