劉 涵， 張衛(wèi)華， 周激流

（1 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院， 成都 610065； 2 四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 成都 610065）

0 引 言

高原鼠兔（Ochotona curzoniae）是一種小型非冬眠的植食性哺乳動(dòng)物，隸屬于兔形目、鼠兔科、鼠兔屬，在國(guó)內(nèi)分布于西藏、青海、甘肅南部、四川西北部，棲息海拔約為3 000 ～5 100 m［1］。 高原鼠兔身材渾圓，沒有尾巴，體色灰褐，數(shù)量大，多棲息在土壤較為疏松的坡地和河谷，營(yíng)洞穴生活。 高原鼠兔在適宜范圍內(nèi)對(duì)高寒草甸植被群落結(jié)構(gòu)的種類、組成、多樣性、生物量及種子傳播具有一定的積極效應(yīng)，但當(dāng)種群密度過大則會(huì)對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的植被和土壤產(chǎn)生較大的負(fù)面作用，加速植被和土壤退化，迫使鼠類活動(dòng)的有利作用向有害方向轉(zhuǎn)變。 高原鼠兔活動(dòng)利害轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵在于確定種群致災(zāi)密度從而發(fā)揮其積極作用，維持高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的平衡［2］。 因此，在其種群密度過大時(shí)實(shí)施鼠害控制技術(shù)就尤為重要。

與常規(guī)的動(dòng)物監(jiān)測(cè)不同，高原屬于偏遠(yuǎn)地區(qū)，地理和天氣環(huán)境惡劣，且沒有通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，無法提供電源供電，導(dǎo)致對(duì)此類地區(qū)的大范圍目標(biāo)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目難以展開或有效實(shí)施。 已有研究的應(yīng)用范圍大部分為小型區(qū)域或室內(nèi)場(chǎng)景，且其位置匹配方式大多基于預(yù)采集位置指紋庫(kù)數(shù)據(jù)，難以在廣區(qū)域目標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。 近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，藍(lán)牙是一種優(yōu)秀的超低功耗技術(shù)，在廣區(qū)域通信技術(shù)中，LoRa 是得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用的超遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)［3］。 本文將以一個(gè)綜合性的視角對(duì)這2 項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行討論，且針對(duì)上述問題，結(jié)合二者技術(shù)特點(diǎn)，基于藍(lán)牙和LoRa 提出一種突破了續(xù)航和通信距離方面瓶頸的廣區(qū)域無線電目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將其引入長(zhǎng)時(shí)間可持續(xù)的動(dòng)物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，用于監(jiān)測(cè)和評(píng)估鼠害控制新技術(shù)的作用和生態(tài)修復(fù)效果，這兩者結(jié)合將把藍(lán)牙和LoRa 帶入一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 超低功耗藍(lán)牙

在提出藍(lán)牙4.0 標(biāo)準(zhǔn)的6 年后，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group （SIG））在2016 年正式發(fā)布了藍(lán)牙5.0 的主要特征［4］，這是短距離無線通信技術(shù)的一項(xiàng)重大發(fā)展，即如SIG 所說，新標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)顯著改變?nèi)伺c設(shè)備交互的方式［5］。 藍(lán)牙5.0 針對(duì)低功耗設(shè)備速度有相應(yīng)提升和優(yōu)化，與藍(lán)牙4.2相比，可實(shí)現(xiàn)2 倍傳輸速率、4 倍通訊距離以及8 倍廣播數(shù)據(jù)量［6］，此外在抗干擾方面還具有更健壯的魯棒性。

從藍(lán)牙4.0 開始，為了拓展藍(lán)牙在低功耗應(yīng)用領(lǐng)域的影響力，低功耗藍(lán)牙技術(shù)（BLE）作為藍(lán)牙的一個(gè)基礎(chǔ)組成部分被引入藍(lán)牙通信標(biāo)準(zhǔn)［6］，并在其后的4.1 和4.2 版本中被持續(xù)改進(jìn)［7］。 傳統(tǒng)藍(lán)牙面對(duì)的最大挑戰(zhàn)是電量的高損耗，低功耗藍(lán)牙的出現(xiàn)大幅降低了藍(lán)牙設(shè)備的功耗，該技術(shù)可使用極低電池量的裝置進(jìn)行供電，并實(shí)現(xiàn)3 ～24 個(gè)月的續(xù)航能力。 在低功耗設(shè)備中，BLE 可將功耗和設(shè)備成本降至最低的能力，使得藍(lán)牙在早已被大量應(yīng)用的各類標(biāo)準(zhǔn)無線傳輸技術(shù)中更具競(jìng)爭(zhēng)力［8］。 此外，藍(lán)牙5.0在物理層新增加了一種2 Msym／S 的調(diào)制方案，稱為L(zhǎng)E 2M PHY，這使得BLE 可以使用2 MHz 帶寬傳輸數(shù)據(jù)，這也對(duì)應(yīng)2 倍傳輸速率。 隨著傳輸速度的提高，藍(lán)牙變得更加節(jié)能，因?yàn)閭鬏斚嗤笮〉奈募碚撋纤璧臅r(shí)間可以減半。

BLE 的一個(gè)經(jīng)典應(yīng)用場(chǎng)景是藍(lán)牙設(shè)備僅僅以廣播方式工作，如Beacon、即藍(lán)牙信標(biāo)，攜帶其他藍(lán)牙設(shè)備的用戶在與其靠近時(shí)可以從該設(shè)備獲得廣播信息，一般所說的Beacon 設(shè)備是指低功耗藍(lán)牙從設(shè)備。 Beacon 技術(shù)來源于蘋果公司發(fā)布的一款iBeacon 設(shè)備，在2013 年世界蘋果開發(fā)者大會(huì)（WWDC）上第一次被推出［9］。 作為Wi-Fi 的最新替代品，Beacon 設(shè)備被廣泛地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)IOT 程序中，設(shè)備特點(diǎn)是降低了功耗、并增大了覆蓋范圍，通常用紐扣電池進(jìn)行供電，一般能工作3 ～24 個(gè)月不等的時(shí)間。 在藍(lán)牙5.0 以前，接收者必須和Beacon 設(shè)備建立連接，使得這種方式十分低效，藍(lán)牙5.0 重新設(shè)計(jì)了一整套廣播系統(tǒng)，同時(shí)還引入了無連接廣播方式，使得非同步藍(lán)牙設(shè)備可以交換數(shù)據(jù)，并且消除了配對(duì)連接的需要，從而大大提高了藍(lán)牙接收設(shè)備的效率。

2 Long Range Radio （LoRa）

LoRa 是新一代低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）通信技術(shù)［3］，由Semtech 公司于2013 年發(fā)布提出并獲得專利，擁有高于常用的無線通信技術(shù)的接收靈敏度，強(qiáng)調(diào)在高干擾和噪聲環(huán)境下的高接收靈敏度及低功耗長(zhǎng)距離通信，其為半雙工系統(tǒng)，上下行工作在同一頻段，采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，單次傳輸載荷長(zhǎng)度最大支持256 字節(jié)。 LoRaWAN 是由LoRa 聯(lián)盟制定的低功耗廣域網(wǎng)協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，LoRa 定義了系統(tǒng)的物理層，而LoRaWAN 是建立在LoRa 物理層之上的媒體控制訪問（MAC）層協(xié)議。 LoRa 中有5 個(gè)重要的參數(shù)，分別是:發(fā)射功率、載頻、擴(kuò)頻因子、帶寬和碼率［10］。 LoRa 使用免費(fèi)的非授權(quán)頻段，在不同的地區(qū)有不同的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如EU433、CN470、EU868和US915 等，在中國(guó)采用的是CN470，代表可使用的頻段范圍是470 MHz 至510 MHz。 LoRa 提供了125 kHZ、250 kHZ 和500 kHZ 這3 種可伸縮的的帶寬設(shè)置，更高的帶寬能夠增強(qiáng)LoRa 抵抗信道噪聲的能力和抗多普勒效應(yīng)的能力，但是相應(yīng)會(huì)降低其頻譜利用率［10］。 LoRa 具有8 個(gè)相同帶寬的信道，每個(gè)信道支持6 種擴(kuò)頻因子SF7～12，擴(kuò)頻因子每加1 將增加2.5 dB 的接收機(jī)靈敏度，即可以增加信號(hào)覆蓋范圍，但相應(yīng)會(huì)降低數(shù)據(jù)速率，這提供了不同數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍在選擇上的靈活性。 終端采用隨機(jī)信道選擇方式進(jìn)行干擾規(guī)避。 擴(kuò)頻因子的選擇需要權(quán)衡通信距離或信號(hào)強(qiáng)度、消息發(fā)送時(shí)間等因素，當(dāng)鏈路環(huán)境好的時(shí)候，可以使用較低的擴(kuò)頻因子，而當(dāng)通信距離遠(yuǎn)、鏈路環(huán)境較差時(shí)，可以增大擴(kuò)頻因子以獲取更高的靈敏度［11］。 LoRa 采用循環(huán)糾錯(cuò)編碼進(jìn)行前向錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)，使用該方式會(huì)產(chǎn)生傳輸開銷，碼率則是指數(shù)據(jù)流中的非冗余部分比例，典型有4／5、4／6、4／7 和4／8 四種設(shè)置，越高的冗余部分會(huì)導(dǎo)致越低的傳輸效率。 LoRa 設(shè)計(jì)終端可工作在3 種不同的模式下，即ClassA、B和C，但一個(gè)時(shí)間內(nèi)只能工作于一個(gè)模式，每種模式可由軟件進(jìn)行加載。不同的模式適用于不同的業(yè)務(wù)模型和省電模式，目前廣泛使用的為ClassA類工作模式，以適應(yīng)IoT 應(yīng)用的省電需求［11］。

3 目標(biāo)監(jiān)測(cè)方法

無線信號(hào)在傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加，信號(hào)會(huì)呈對(duì)數(shù)形式逐漸衰減。 根據(jù)此特性，當(dāng)前的藍(lán)牙定位方案基于相同的實(shí)現(xiàn)方式:通過信號(hào)衰減后的信號(hào)強(qiáng)度值，估算藍(lán)牙收信設(shè)備與發(fā)信方的距離。 RSSI（Received Signal Strength Indicator）是射頻信號(hào)理論術(shù)語(yǔ)，主要應(yīng)用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離測(cè)量。 該方法是依據(jù)接收信號(hào)能量強(qiáng)度確定距離，對(duì)通信信道參數(shù)要求較高。 其測(cè)距理論是基于無線電波在介質(zhì)中傳輸時(shí)，信號(hào)功率隨傳播距離衰減這一原理。 根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)已知信號(hào)的發(fā)射功率和節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)功率，通過信號(hào)與距離之間的衰減模型計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，在環(huán)境并不復(fù)雜的條件下，可以利用接收到的RSSI值進(jìn)行小范圍的簡(jiǎn)單定位［12］。

無線信號(hào)的接收功率和距離之間的關(guān)系可以用式（1）表示:

其中，pR是無線信號(hào)的接收功率；A可以看作信號(hào)傳輸1 m 遠(yuǎn)時(shí)接收信號(hào)的功率；d是收發(fā)單元之間的距離；n是傳播因子，數(shù)值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境。

由式（1）可以得到，常數(shù)A和n的數(shù)值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。 這里的關(guān)鍵影響因素是常數(shù)A和n的大小。 其中，傳播因子n的數(shù)值反映了無線信號(hào)在傳播過程中受到的衰減、反射、多徑等干擾，n取值越小表明信號(hào)在傳播過程所受到的干擾越小， 信號(hào)傳播距離越遠(yuǎn)，無線信號(hào)的傳播曲線與理想情況越接近，基于RSSI 的測(cè)距定位就會(huì)越精確。

對(duì)于高原鼠兔監(jiān)測(cè)場(chǎng)景這類廣區(qū)域的超小型動(dòng)物的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，不適宜在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上使用尺寸較大的高增益外置天線，且低功耗要求限制了發(fā)射功率，而這將進(jìn)一步限制了廣播信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，故應(yīng)采用藍(lán)牙感知技術(shù)，根據(jù)發(fā)信方的信號(hào)強(qiáng)度變化來判斷發(fā)信方的位置。 收信方接收到發(fā)信方的信號(hào)，通過信號(hào)衰減模型對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)換為發(fā)信方到收信方的相應(yīng)估計(jì)距離，在移動(dòng)中，隨著距離發(fā)生變化，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨之發(fā)生變化，信號(hào)增強(qiáng)，則更接近發(fā)信方，反之，則遠(yuǎn)離發(fā)信方。 當(dāng)存在多個(gè)連續(xù)位置估計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，使用信號(hào)濾波技術(shù)（如高斯濾波和卡爾曼濾波）來檢測(cè)和延緩信號(hào)數(shù)據(jù)中的虛假或突然變化趨勢(shì)。 此外，當(dāng)有3 個(gè)以上的基站同時(shí)接收到信標(biāo)廣播數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)（如RSSI） 選擇最佳的基站子集來提供更準(zhǔn)確的位置估計(jì)，根據(jù)環(huán)繞在發(fā)信方附近的最佳信號(hào)基站子集所接收的數(shù)據(jù)的絕對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)變化進(jìn)一步分析其方位和移動(dòng)趨勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)樣例

4．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本方案計(jì)劃在高原鼠兔身上佩戴藍(lán)牙Beacon信標(biāo)，使其以一定的時(shí)間間隔不斷向外廣播定位信息，并在試驗(yàn)場(chǎng)地以一定距離間隔分布架設(shè)多臺(tái)接收基站。 基站可以識(shí)別出不同個(gè)體發(fā)出的廣播信息以及解析其RSSI 強(qiáng)度，并基于多個(gè)基站匯總的采集信息對(duì)高原鼠兔位置進(jìn)行估計(jì)和跟蹤。 基站在掃描到Beacon 廣播數(shù)據(jù)后提取信息并保存在基站本地，等待LoRa 中央主機(jī)的輪詢請(qǐng)求，通過LoRaWan 無線通信將定位數(shù)據(jù)傳輸匯集至中央主機(jī)。 該系統(tǒng)由2 個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為:藍(lán)牙系統(tǒng)和LoRa 系統(tǒng)。

藍(lán)牙系統(tǒng)負(fù)責(zé)通過廣播和掃描來收集實(shí)驗(yàn)對(duì)象在空間內(nèi)的分布位置，主要分成2 個(gè)部分。 一個(gè)是佩戴在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上面的藍(lán)牙Beacon 信標(biāo)，另一個(gè)是固定基站中的藍(lán)牙基站模塊。 藍(lán)牙系統(tǒng)的工作機(jī)制如下:Beacon 設(shè)備會(huì)被設(shè)置成廣播模式，每隔固定時(shí)間廣播其唯一標(biāo)識(shí)號(hào)和定位信息，并不與任何藍(lán)牙基站進(jìn)行連接。 根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，可以設(shè)置被追蹤者信號(hào)的廣播周期，廣播周期越大，電池的能耗越小，被追蹤者待機(jī)時(shí)間也越長(zhǎng)，該周期的長(zhǎng)短決定了追蹤位置的刷新率。 獨(dú)立的藍(lán)牙基站在掃描基站范圍內(nèi)所有的2.4 GHz 信號(hào)時(shí)，通過過濾策略篩選出其區(qū)域范圍內(nèi)接收到的Beacon 廣播數(shù)據(jù)包并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該數(shù)據(jù)包含有31 字節(jié)的內(nèi)容，其中會(huì)指示該數(shù)據(jù)包來源的Beacon 設(shè)備的MAC 地址和當(dāng)前接收的RSSI 數(shù)值信息，而RSSI 即為距離感知定位的關(guān)鍵信息。

LoRa 系統(tǒng)是一套基于LoRaWan 基礎(chǔ)上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)半雙工通信系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收由藍(lán)牙基站模塊串口轉(zhuǎn)發(fā)而來的位置數(shù)據(jù)，并按照指定格式對(duì)其進(jìn)行分割保存和傳輸，且為隔絕信息傳輸污染，設(shè)計(jì)了專屬配對(duì)頻率和通信頻率進(jìn)行切換。 為保證整個(gè)無線傳輸系統(tǒng)的可靠性，制定了一個(gè)應(yīng)用層的通信協(xié)議，對(duì)整個(gè)無線通信過程提供進(jìn)一步的保障。 而且，本文在通信協(xié)議層還對(duì)發(fā)送超時(shí)和接收超時(shí)等事件的處理做出了一些規(guī)定，保證在該傳輸協(xié)議下系統(tǒng)的魯棒性以及避免發(fā)生傳輸失敗事件時(shí)可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失。 由于區(qū)域內(nèi)有基站數(shù)量多、傳輸數(shù)據(jù)流量大的特點(diǎn)，為避免信道擁擠和數(shù)據(jù)碰撞，采用輪詢策略進(jìn)行配對(duì)和通信傳輸。 該系統(tǒng)主要分成2 個(gè)部分，分別是LoRa 基站模塊和LoRa 中央主機(jī)模塊。 其中，LoRa 基站模塊和藍(lán)牙基站模塊相連，持續(xù)收取藍(lán)牙基站模塊轉(zhuǎn)發(fā)而來的信息，按照一定格式將其進(jìn)行存儲(chǔ)，并在此同時(shí)持續(xù)打開一個(gè)LoRa 接收窗口，持續(xù)監(jiān)測(cè)是否收到LoRa 中央主機(jī)模塊發(fā)來的輪詢請(qǐng)求。 LoRa 中央主機(jī)通過對(duì)整個(gè)區(qū)域的LoRa基站依次進(jìn)行收取數(shù)據(jù)輪詢，再通過與上位機(jī)通信以集中保存數(shù)據(jù)。 當(dāng)LoRa 中央主機(jī)開始輪詢時(shí)，將向整個(gè)區(qū)域按序廣播輪詢請(qǐng)求，并將該次準(zhǔn)備連接的基站設(shè)備號(hào)加入至廣播包中一同廣播出去，區(qū)域內(nèi)的所有LoRa 基站都可以接收到該條廣播報(bào)文，當(dāng)LoRa 基站收到該廣播報(bào)文后，將提取其中的信息并和自身的本地基站設(shè)備號(hào)進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)成功，則通過另一專門的通信頻率向LoRa 中央主機(jī)發(fā)送其已經(jīng)存儲(chǔ)的信息。 由于LoRa 協(xié)議的限制，單次最多發(fā)送256 字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以兩方需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，最終分多次將所有的數(shù)據(jù)傳輸出去。

4．2 系統(tǒng)硬件組成

藍(lán)牙系統(tǒng)由藍(lán)牙信標(biāo)模塊和藍(lán)牙基站模塊構(gòu)成。 高原鼠兔營(yíng)洞穴生活，洞道系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，以窩巢為中心呈放射狀分布，洞系包含隱藏洞穴和棲息洞穴［13］。 洞穴開放洞口數(shù)平均為4.7 個(gè)，洞道總長(zhǎng)度平均為6.37 m，洞道直徑平均為7.1cm，洞系距地面的平均距離為30.1 cm［14］。 由于高原鼠兔自身體積極小且經(jīng)常在地下洞穴狹隘的通道中通行，因此對(duì)于在其身上佩戴的藍(lán)牙Beacon 信標(biāo)的體積和重量有著十分嚴(yán)苛的要求，體積過大會(huì)導(dǎo)致其在洞穴中穿梭時(shí)被卡住而無法動(dòng)彈，而重量過大又會(huì)干擾其本身的生理習(xí)性，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 在天線的選擇和處理上，藍(lán)牙信標(biāo)模塊采用板載PCB 天線，藍(lán)牙基站模塊采用ipx 外接高增益天線。 在藍(lán)牙信標(biāo)模塊可選擇的小型天線中，板載天線信號(hào)增益與FPC 貼片天線相比較弱，但FPC 貼片天線為外置天線，不易做防水處理，且天線片與延長(zhǎng)線的連接點(diǎn)處較為脆弱，在對(duì)模塊進(jìn)行整體防水封裝后，柔性天線將變?yōu)閯傂?，有易斷裂風(fēng)險(xiǎn)，故選擇采用PCB板載天線。

藍(lán)牙Beacon 信標(biāo)僅由一個(gè)藍(lán)牙模塊和一塊CR2032 微型紐扣電池組成，并對(duì)其總體進(jìn)行一定防水封裝處理。 封裝前樣式如圖1 所示，其總重量?jī)H為5.83 g，可以有效減少監(jiān)測(cè)過程對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的影響。 藍(lán)牙模塊芯片采用的是北歐半導(dǎo)體公司的nRF52832 SoC 模塊，支持藍(lán)牙5.0 協(xié)議，芯片自帶高性 能 ARM CORTEX - M4F 內(nèi) 核， 物 理 尺 寸 為17.5 mm*28.7 mm，具有功耗低、體積小的特點(diǎn)。藍(lán)牙基站模塊也采用近似的藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)，唯一區(qū)別在于采用ipx 外接10 dBi 高增益天線，以增大廣播掃描的范圍、及提升掃描準(zhǔn)確度。

圖1 藍(lán)牙BeaconFig． 1 Bluetooth Beacon

LoRa 基站模塊采用Heltec 公司的CubeCell 1／2AA Node，該系列模塊主芯片基于ASR6502，并集成SX1262 LoRa 芯片，支持LoRaWan 協(xié)議，可通過天線延長(zhǎng)線連接10 dBi 高增益外置天線。 此外，該模塊不采用屏幕顯示，這就減少了大量不必要的功耗。 在該方案的部署計(jì)劃中，相鄰基站之間的距離為25 m。

藍(lán)牙基站模塊與LoRa 基站模塊通過PCB 電路板連接在一起，附上DC 電源插座及3.3 V DC 同步整流電源降壓、穩(wěn)壓模塊等外圍器件后集成為一個(gè)基站模塊，如圖2 所示。

圖2 基站模塊Fig． 2 Base station module

針對(duì)高原惡劣地理環(huán)境和可能極端天氣環(huán)境下的供電需求，基站采用了定制18650 電芯鋰電池組供電，電池組容量為40 AH，尺寸為74 cm*75 cm*74 cm，如圖3 所示。 整個(gè)基站模塊使用防水盒進(jìn)行封裝，通過在盒上開孔引出外置天線，在開孔處采用硅橡膠進(jìn)行防水封閉處理。

圖3 鋰電池組Fig． 3 Lithium battery pack

4．3 測(cè)試及評(píng)估

本文對(duì)該方案各個(gè)模塊的性能和功耗均進(jìn)行了測(cè)試。

藍(lán)牙Beacon 模塊在待機(jī)時(shí)處于深度睡眠模式，在3.3 V 下功耗僅1.8 uA，當(dāng)設(shè)置發(fā)射功率為4 dBm時(shí)廣播功耗為70 uA，若采用電池容量為220 mAH的CR2032 微型紐扣電池，根據(jù)廣播時(shí)間間隔的不同，持續(xù)使用時(shí)間可達(dá)5 ～24 個(gè)月。 此外，模塊和電池的總重量?jī)H為5.83 g，若采用80 mAH 的CR1620電池，可以進(jìn)一步降低其總重量至3.93 g。

基站模塊，當(dāng)設(shè)置發(fā)射功率為22 dBm、處于普通工作模式時(shí)，基站模塊總功耗為26 mA，數(shù)據(jù)傳輸模式功耗為36 mA，若采用40 AH 的鋰電池組進(jìn)行供電，可持續(xù)工作40～60 天。

Nordic 藍(lán)牙芯片的通信距離經(jīng)測(cè)試在90 m，在40 m 以內(nèi)信號(hào)質(zhì)量和接收率較好，而同等條件下一些其他品牌的藍(lán)牙芯片經(jīng)測(cè)試其極限通信距離僅能達(dá)到40 m。 LoRa 的通信距離理論上在郊區(qū)視距下最高達(dá)15 km，城市環(huán)境中最高可達(dá)3 km。 考慮到成本和部署范圍的需求，本解決方案僅采用小型模塊和天線方案，通信距離實(shí)測(cè)達(dá)1 km。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合藍(lán)牙超低功耗的特點(diǎn)以及LoRa 低功耗超長(zhǎng)距離通信的特點(diǎn)，將其運(yùn)用至高原鼠兔監(jiān)測(cè)這一廣區(qū)域動(dòng)物監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，針對(duì)高原缺電以及其惡劣天氣環(huán)境等特殊情況，提出了多項(xiàng)具體的定制化解決方案，在保證一定信號(hào)強(qiáng)度的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)高原鼠兔的藍(lán)牙感知追蹤和信息傳輸收集，具有低成本、低功耗、消除運(yùn)營(yíng)商依賴等特點(diǎn)。

由于本小型監(jiān)測(cè)對(duì)象的特殊性，對(duì)藍(lán)牙Beacon信標(biāo)的體積、重量和運(yùn)行可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)具有極高的要求，一定程度上限制了信號(hào)強(qiáng)度和感知精度，若對(duì)于更為大型的目標(biāo)動(dòng)物監(jiān)測(cè)，可以采用更高的發(fā)射功率和更高增益的外置天線，這將大幅提升信號(hào)質(zhì)量、穩(wěn)定性和覆蓋范圍，而且還可以減少覆蓋整個(gè)部署區(qū)域所需的基站總數(shù)。 此外，隨著藍(lán)牙5.1 版本提出的AOA 和AOD 方案的進(jìn)一步具體落地實(shí)現(xiàn)，有望實(shí)現(xiàn)更加精確的實(shí)時(shí)定位［15］，但這相應(yīng)地也會(huì)帶來更高的功耗負(fù)擔(dān)，且硬件設(shè)備的天線必須具有較高的方向性，因此硬件成本和技術(shù)門檻會(huì)更高，需要根據(jù)具體方案指標(biāo)要求進(jìn)行評(píng)估。 此外，除了單純使用藍(lán)牙射頻信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)外，在大型動(dòng)物監(jiān)測(cè)條件下還可以增加陀螺儀和加速度傳感器等一系列模塊進(jìn)一步輔助提高定位數(shù)據(jù)的質(zhì)量。 在監(jiān)測(cè)范圍上，LoRa 系統(tǒng)也可采用更高增益的天線和更高的發(fā)射功率以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的可監(jiān)測(cè)范圍。 綜上，可以通過多種措施，改善信號(hào)質(zhì)量和覆蓋范圍以實(shí)現(xiàn)更大范圍和更高精度的目標(biāo)監(jiān)測(cè)，推廣藍(lán)牙和LoRa在廣區(qū)域目標(biāo)監(jiān)測(cè)這一領(lǐng)域的應(yīng)用。