摘 "要： 為實(shí)現(xiàn)大面積無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)覆蓋監(jiān)測(cè)，有效地抵御監(jiān)測(cè)過程中多徑干擾和頻率選擇性衰減等干擾因素的影響，研究基于LoRa通信的無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。在無線發(fā)射臺(tái)發(fā)出信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別出有效發(fā)射臺(tái)信號(hào)后，通過級(jí)聯(lián)型LoRa組網(wǎng)方式以及LoRa通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器中存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的傳輸。利用循環(huán)位移因子對(duì)基帶產(chǎn)生的Chirp信號(hào)完成調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，擴(kuò)展信號(hào)頻譜，增強(qiáng)信號(hào)抗干擾能力以及傳輸可靠性，增強(qiáng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠在距離LoRa終端設(shè)備2.5 km處依舊接收到發(fā)射臺(tái)信號(hào)，丟包率為12%，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到無線發(fā)射臺(tái)是否存在發(fā)射信號(hào)。

關(guān)鍵詞： LoRa通信； 無線信號(hào)； 發(fā)射臺(tái)； 智能監(jiān)測(cè)； 調(diào)頻擴(kuò)頻； 數(shù)字信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN972?34 " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）15?0014?05

Research on wireless transmitting station signal intelligent monitoring technology

based on LoRa communication

ZHAO Zhigang， WANG Lei， WANG Lanzhong

（Shandong University， Jinan 250100， China）

Abstract： A wireless transmitting station signal intelligent monitoring technology based on LoRa communication is studied to achieve large?area wireless transmitting station signal coverage monitoring and effectively resist interference factors such as multipath interference and frequency selective attenuation during the process of monitoring. After the wireless transmitting station sends out signals， the signals are converted into digital ones for comparison， and effective transmitting station signals are identified. By cascaded LoRa networking and LoRa communication technology， the data is sent to the server for storage， so as to achieve the transmission of wireless transmitting station signals. The Chirp signals generated by baseband is modulated by frequency modulation and spread spectrum by cyclic shift factor （CSF）， so as to expand the signal spectrum， enhance the anti?interference ability and transmission reliability of the signals and enhance the effect of signal monitoring. The experimental results show that the proposed method can be used to receive the transmitting station signals 2.5 km away from the LoRa terminal device， with a packet loss rate of 12%， and can accurately monitor whether there is transmission signals from the wireless transmitting station.

Keywords： LoRa communication; wireless signal; transmitting station; intelligent monitoring; frequency modulation and spread spectrum; digital signal

0 "引 "言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)應(yīng)用到了生活的諸多場(chǎng)景中[1?2]，對(duì)于無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的監(jiān)測(cè)也就具有了重要的意義。通過無線監(jiān)測(cè)無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)能夠準(zhǔn)確地判斷出無線發(fā)射臺(tái)是否有連續(xù)的信號(hào)發(fā)出，當(dāng)信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)或者中斷便可以判斷其是否出現(xiàn)故障，并派遣維護(hù)人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及維修，提升信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。同時(shí)，監(jiān)測(cè)信號(hào)的各種參數(shù)能夠保證被監(jiān)測(cè)信號(hào)的安全性，避免出現(xiàn)干擾和中斷等問題。

對(duì)于信號(hào)的監(jiān)測(cè)有許多學(xué)者作出了研究，文獻(xiàn)[3]提出的礦井內(nèi)部無線信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于正交頻分復(fù)用（OFDM）存在的接收機(jī)誤差累積問題，利用雙路網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)（DPNR）進(jìn)行優(yōu)化，完成對(duì)無線信號(hào)的監(jiān)測(cè)。但該方法存在一定的計(jì)算復(fù)雜度，特別是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)信號(hào)時(shí)，可能會(huì)對(duì)計(jì)算資源提出較高要求，泛化能力差。文獻(xiàn)[4]提出一種結(jié)合單片機(jī)以及超聲傳感的無線信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)，在該技術(shù)中通過無線模塊、超聲傳感以及時(shí)鐘模塊共同形成了對(duì)無線信號(hào)的采集，對(duì)信號(hào)做相關(guān)性運(yùn)算進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但該方法存在著硬件依賴，一旦該技術(shù)運(yùn)用了相對(duì)較差的硬件則難以保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確程度，在復(fù)雜情況下難以保證對(duì)于噪聲的消除效果，可能會(huì)誤導(dǎo)最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)[5]提出的用于電視無線發(fā)射臺(tái)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要通過D觸發(fā)器電路對(duì)發(fā)射臺(tái)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過選擇器可以控制觸發(fā)器的信號(hào)，使特定無線信號(hào)通過，完成無線信號(hào)監(jiān)測(cè)。但該方法通過選擇器控制觸發(fā)器，觸發(fā)器的狀態(tài)僅有0或1，無法適應(yīng)多種情況，局限性較大。

為了解決上述問題，本文研究基于LoRa通信的無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。采用傳感器接收無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)，選擇級(jí)聯(lián)型組網(wǎng)方式進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的傳輸。利用循環(huán)位移因子完成調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，增強(qiáng)信號(hào)抗干擾能力以及傳輸可靠性。

1 "無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

使用LoRa通信技術(shù)進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)監(jiān)控，通過傳感器采集無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)后，通過級(jí)聯(lián)型LoRa組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至LoRa終端，在終端利用LoRa私有協(xié)議發(fā)送至上級(jí)終端，由終端發(fā)送至網(wǎng)關(guān)后，由網(wǎng)關(guān)傳送至服務(wù)器內(nèi)存儲(chǔ)，完成無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)智能監(jiān)測(cè)。其中，LoRa通信技術(shù)傳輸信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻擴(kuò)頻，擴(kuò)展信號(hào)頻譜，增強(qiáng)信號(hào)抗干擾能力以及傳輸可靠性。信號(hào)監(jiān)測(cè)框架如圖1所示。

LoRa是一種新開發(fā)的用于解決LPWAN物理層的方案，該技術(shù)既滿足通信功耗低，又能夠使用較低的成本保證終端的穩(wěn)定性[6?7]。LoRa的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如圖2所示。LoRa終端中的終端應(yīng)用層、終端MAC（Medium Access Control）層以及LoRa物理層中的信息通過LoRa無線鏈路傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過主干網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包通過底層IP數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)接脩魬?yīng)用層、用戶MAC層以及主干網(wǎng)絡(luò)中。其中，終端MAC層負(fù)責(zé)解決廣播鏈路涉及的多方競(jìng)爭(zhēng)使用權(quán)的問題，該層定義了發(fā)射臺(tái)信號(hào)通過的路徑和設(shè)備端的物理地址。

1.1 "采集無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)

在無線發(fā)射臺(tái)發(fā)射信號(hào)時(shí)，傳感器接收到無線信號(hào)的時(shí)間可能存在差異，因此在采集多個(gè)無線信號(hào)后，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)判斷相似性。

使用對(duì)比窗口將1 s的數(shù)據(jù)分成10幀，這種劃分方法在信號(hào)不同步時(shí)對(duì)比結(jié)果較為不準(zhǔn)確[8]，因此還需要采用平均振幅法，將無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)進(jìn)行平均化處理，該公式為：

[P=i=1nXin] （1）

式中：[n]為采樣數(shù)量；[Xi]為傳感器采樣數(shù)據(jù)。利用結(jié)果在對(duì)比窗口的能量序列組成的多維矢量達(dá)到無線發(fā)射臺(tái)有效信號(hào)的采集。

1.2 "傳輸無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)

LoRa通信技術(shù)有諸多的應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同LoRa組網(wǎng)方式，本文選擇級(jí)聯(lián)型組網(wǎng)方式進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的傳輸，級(jí)聯(lián)型組網(wǎng)方式如圖3所示。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)中的LoRa終端兩兩之間互相收發(fā)無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)，串口設(shè)備則是利用串口完成設(shè)備與LoRa終端的數(shù)據(jù)收發(fā)；級(jí)聯(lián)型則可以看成升級(jí)版的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)，窗口設(shè)備依舊與終端完成無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的收發(fā)[9?11]，終端則是將數(shù)據(jù)上傳至上一級(jí)終端，并依次上傳直至最終網(wǎng)關(guān)，對(duì)于不同情況下應(yīng)選擇合適的組網(wǎng)方式，以便達(dá)到高效的無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)傳輸效率。

1.3 "監(jiān)測(cè)無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)

線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)同時(shí)也被稱為Chirp信號(hào)，LoRa通信采用線性調(diào)頻方式，線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(hào)在發(fā)射時(shí)是一個(gè)時(shí)域恒定的無線發(fā)射臺(tái)包絡(luò)信號(hào)，通過LoRa線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)較低功耗、長距離傳輸，提供可靠的無線監(jiān)測(cè)解決方案。Chirp信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻的時(shí)域情況為：

[xt=Acos2πfct+k2t2P， " "-T2≤t≤T2] （2）

式中：[A]為Chirp信號(hào)的幅值；[k]為Chirp信號(hào)的頻率斜率； [T]為Chirp信號(hào)周期；[fc]為載波的中心頻率；[t]為時(shí)間向量。

當(dāng)公式（2）中[kgt;0]時(shí)，表明正在升頻調(diào)制，反之，則是降頻調(diào)制。

在進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)引入循環(huán)位移因子（CSF），通過無線發(fā)射臺(tái)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)在基帶形成的Chirp信號(hào)循環(huán)CSF（[0≤CSF≤USF-1]）個(gè)點(diǎn)，將無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)映射到CSF上。

在本文中擴(kuò)頻調(diào)制通過擴(kuò)頻因子與時(shí)間帶寬來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[12?14]，計(jì)算公式為：

[USF=BRs=B?T] （3）

式中：[B]為Chirp信號(hào)帶寬；[Rs]為傳輸碼率；[T=1Rs]；[USF]為擴(kuò)頻因子。

Chirp信號(hào)在基帶時(shí)的波形使用的計(jì)算公式為：

[xt=expj?t， " " " -T2≤t≤T20， " " " "other] （4）

式中[?]為Chirp信號(hào)相位。

由于Chirp信號(hào)的帶寬為：

[B=kT] （5）

所以瞬時(shí)頻率表達(dá)式為：

[ft=fc+Akt=fc+ABTt] （6）

式中[A=1]為上掃頻，反之為下掃頻。

根據(jù)式（6），Chirp信號(hào)可描述為：

[xt=ej2πfc+πABTt2] （7）

發(fā)送端調(diào)制完成后的信號(hào)為：

[xrst=ej2πfc+2πABTt22-CSFBt+2πBt+ωt，-T2≤tlt;CSFBej2πfc+2πABTt22-CSFBt+ωt， " " " " " " CSFB≤t≤T2] （8）

式中[ωt]表示隨時(shí)間變化的載波頻率。在接收端對(duì)調(diào)制的Chirp信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，公式（7）與公式（8）共軛相乘后得到解調(diào)的信號(hào)為：

[xt=ej-2πCSFBt+2πBt+ωt， " " "-T2≤tlt;CSFBej-2πCSFBt+ωt， " " "CSFB≤t≤T2] （9）

令[A=1]進(jìn)行上掃頻，可以得到離散信號(hào)為：

[xt=ej2πnkBTt+ωnB， " "-T2≤t≤T2] （10）

考慮到[T=USFB]，則可以進(jìn)一步將公式（10）描述為：

[xt=ej2πnkUSFt+ωnB， " "-T2≤t≤T2] （11）

公式（11）為接收端最終解調(diào)后的信號(hào)，增強(qiáng)了信號(hào)監(jiān)測(cè)的效果。

2 "實(shí)驗(yàn)分析

2.1 "實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為驗(yàn)證本文方法對(duì)于無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的監(jiān)測(cè)情況，選擇C市進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在C市中存在多個(gè)無線信號(hào)發(fā)射臺(tái)，包括廣播信號(hào)發(fā)射臺(tái)2座、電視信號(hào)發(fā)射臺(tái)1座，在3座無線發(fā)射臺(tái)中布置傳感器以及LoRa設(shè)備。C市中某廣播信號(hào)發(fā)射臺(tái)如圖4所示。

進(jìn)行無線信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)，LoRa網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。LoRa終端設(shè)備參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.2 "實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

目前主流無線通信技術(shù)包含WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、LoRa方法，上述無線通信技術(shù)參數(shù)情況如表3所示。

通過表3可以看出，LoRa通信技術(shù)在傳輸距離、安全性、成本和抗噪性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異。相比其他的無線通信技術(shù)，LoRa具有更遠(yuǎn)的傳輸距離和更高的安全性，使其成為無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)監(jiān)測(cè)的理想選擇。此外，LoRa技術(shù)的低成本和良好的抗噪性能也使其在各種復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)出色。因此，使用LoRa進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)監(jiān)測(cè)是一種非常合適的方法，能夠有效地提高監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

為測(cè)試本文方法的穩(wěn)定性，選擇在距離電視信號(hào)發(fā)射臺(tái)由1 km逐漸增加至2.5 km處進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，在接收信號(hào)的過程中，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

通過表4可以看出，本文方法在距離2.5 km處依舊能夠較為高效地接收到信號(hào)，丟包率僅為12%，在這種情況下能夠有效降低LoRa終端設(shè)備布置的數(shù)量，有效降低LoRa設(shè)備的成本，實(shí)現(xiàn)最小的成本、最大范圍地監(jiān)控?zé)o線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的目標(biāo)。

為驗(yàn)證本文方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到信號(hào)發(fā)射臺(tái)發(fā)出的信號(hào)，在一座廣播信號(hào)發(fā)射臺(tái)處布置LoRa設(shè)備，并在距離廣播信號(hào)發(fā)射臺(tái)1.8 km處進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

由表5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文方法在5次實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。每次監(jiān)測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確無誤，這充分證明了該方法在監(jiān)測(cè)無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)方面的強(qiáng)大能力和高可靠性。本文方法為無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)監(jiān)測(cè)提供了新的思路和方法。

3 "結(jié) "論

為有效地抵御多種干擾因素的影響，實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋監(jiān)測(cè)，本文研究基于LoRa通信的無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過采集無線信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，判斷相似性，選擇級(jí)聯(lián)型組網(wǎng)方式進(jìn)行無線發(fā)射臺(tái)信號(hào)的傳輸和監(jiān)測(cè)，利用循環(huán)位移因子對(duì)基帶產(chǎn)生的Chirp信號(hào)完成調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法具有出色的信號(hào)傳輸能力，能夠滿足各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，該方法還具有非常準(zhǔn)確的判別能力。每次無線發(fā)射臺(tái)發(fā)出信號(hào)時(shí)，本文方法均能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)到100%，證明了該方法的高可靠性和穩(wěn)定性，具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

注：本文通訊作者為王蘭忠。

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作者簡介：趙志剛（1979—），男，山東濟(jì)南人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。

王 "磊（1972—），男，山東濟(jì)南人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。

王蘭忠（1973—），男，山東萊西人，博士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘分析及數(shù)據(jù)可視化。