基于LoRa物聯網的自然保護區監測系統設計

孫衛寧 杜奕霖 覃宏秋

【摘 要】人類的活動和過度開發破壞了自然生態，導致生態系統退化。自然保護區是維持生態系統平衡和保持生物多樣性的有效手段，但是，如何才能有效地對自然保護區的生態環境進行觀察、監測？文章提出基于LoRa物聯網的自然保護區監測系統設計方案，把目前使用的傳感器、監測設備通過星形網絡進行部署，實現對自然保護區的遠程監控和管理，同時也為自然保護區生態的發展、保護、研究提供數據參考。

【關鍵詞】LoRa；物聯網；數據采集；FPGA

【中圖分類號】X36；P208 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0036-03

1 系統總體設計

系統采用嵌入式FPGA可編輯器件進行開發，由數據采集、數據處理和數據傳輸三大部分組成。數據采集主要由各個不同的傳感器組成，通過不同的方式對自然保護區的環境、水文氣象、動物活動情況進行測量或感應；數據處理是實現對采集的數據進行分析、編解碼、重新打包和存儲；數據傳輸主要是通過LoRa終端、LoRa網關、GPRS和有線網絡等方式逐級上傳數據到服務器。

2 網絡結構

LoRa的網絡架構和協議棧網絡架構中包括終端、網關、網絡服務器和業務服務器等。其中，終端節點包括物理層、MAC層和應用層的實現；網關完成空口物理層的處理；而網絡服務器負責進行MAC層處理，包括自適應速率選擇、網關管理和選擇、MAC層模式加載等。LoRawan定義為典型星形的組網方式（如圖1所示），LoRa終端采用多對一的方式和LoRa網關通信，LoRa網關通過標準的IP協議與服務器通信。相對mesh網絡，典型星型的組網方式減少了路由，降低了系統的功耗和成本。LoRa支持多信道通信，對于多節點通信情況，LoRa采用了多信道加擴頻調制技術來增中節點的通信容量。比如，在同一個信道中，由于使用不同的擴頻因子，節點間的通信互不干擾。因此，簡單的星形網絡結構可以滿足在保護區中多節點部署的要求。

3 網絡通信傳輸模式

3.1 允許雙向通信的class A類終端

class A類終端在每次上行鏈路后都會緊跟2個短暫的下行鏈路接收窗口，傳輸時隙是由終端在有傳輸需求時分配，附加一定的隨機延時（即ALOHA協議）。Class A類終端是最低功耗的，要求應用在終端上行傳輸后的很短時間內進行服務器的下行傳輸，服務器在其他任何時間進行的下行傳輸都要等終端的下一次上行。

3.2 劃定接收時隙的雙向傳輸終端Class B類終端

Class B的終端會有更多的接收時隙。除了Class A的隨機接收窗口，Class B設備還會在指定時間打開別的接收窗口。為了讓終端可以在指定的時間打開接收窗口，終端需要從網關接收時間同步的信標Beacon。這使得服務器可以知道終端正在監聽。

3.3 最大化接收時隙的雙向傳輸Class C的終端

Class C終端基本是一直打開著接收窗口，只在發送時短暫關閉。Class C的終端會比 Class A和 Class B更加耗電，但同時從服務器下發給終端的時延也是最短的。

3.4 網絡通信傳輸模式選擇

在自然保護區，為了讓監測設備最長時間的連續工作，低功耗是設計時需要考慮的重要因素。對于上述3種工作模式，class A最省電，同時也滿足數據傳輸的需要，因此選擇class A的工作模式。

4 監測點的設計與選擇

在自然保護區中，劃分多個不同的監測區域，可以根據實際的情況，靈活地進行部署。

（1）自然保護區基本情況的監測，如溫度、濕度、河流水位、降水、氣壓、防火等。對環境方面的監測，可以安裝濕度傳感器、水位傳感器、氣壓傳感器、降水傳感器、煙霧傳感器等。

（2）野生動物的情況監測，如動物的數量、痕跡、身體狀況等。對動物的監測，可以安裝紅外觸發相機、聲音傳感器、振動傳感器，紅外觸發相機可以檢測到動物的活動情況，因動物的活動引發相機拍照，然后把相片發回服務器，通過查看相片可以觀察到動物的活動區域、數量、健康等；此外，聲音傳感器、振動傳感器也可以通過采集這些數據了解到動物的活動情況。

（3）人類活動情況監測，如砍伐、偷獵、人數、放牧、旅游等。在自然保護區的邊界或是一些重點區域進行監測，通過紅外觸發相機或是入侵檢測等設備進行監控，當有非法入侵或是有人類活動時，立即可以把圖像信息實時傳到服務器上。

5 硬件設計

5.1 數據采集和發送終端

Altera是一家可編程邏輯器件的生產商，一直在可編程系統級芯片（SOPC）領域中處于前沿和領先的地位，提供了多種可配置嵌入式產品。在FPGA中，主要有stratix、arria、cyclone、max等系列產品。cyclone系列產品提供低功耗、低成本、性能較好的設計需求。采用嵌入式FPGA可編輯器件（如圖2所示），既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點，可以針對不同的傳感器接口進行定制，rs232、RS485、I2C、SPI或是廠商自定義的接口協議等都可以集成到嵌入式主板中，在使用的時候，可以做到即插即用，滿足監測節點針對不同的環境區域使用不同的傳感器設備。數據發端也同時接到嵌入主板中，由fpga芯片進行控制，一方面通過指令對傳感器進行采集和控制，另一方面對采集到的數據進行重新編解碼，通過LoRa終端上傳到數據匯聚節點LoRa網關。

5.2 數據匯聚節點

數據匯聚節點主要是負責數據的接收和轉發，匯聚節點LoRa網關接收到各節點數據后，對數據重新打包，轉換成標準的IP協議數據包，使用GPRS或有線等方式上傳到服務器。

6 軟件的設計

采用verilog硬件描述語言進行開發，在算法級、門級到開關級的多種抽象設計層次上對數字系統進行建模，完成對傳感器的通信和控制。

6.1 通信接口設計

RS232通用串行數據總線，用于異步通信，可以實現全雙工傳輸和接收；I2C總線協議，I2C標準速率為100 kbit/s，支持多機通信，支持多主控模塊，但同一時刻只允許有一個主控。由數據線SDA和時鐘SCL構成串行總線；每個電路和模塊都有唯一的地址；SPI是一種高速的全雙工通信總線，通常有1個主設備和1個或多個從設備，由SI（數據輸入）、SO（數據輸出）、SCK（時鐘）、xCS（片選）4條信號線組成。

6.2 數據采集、數據存儲和數據傳輸的設計

（1）在數據采集端，需要根據實際應用連接一個或多個傳感器設備，那么，在使用相同的數據接口情況下采用定時輪詢的方式進行數據采集。如果使用不同的接口的設備可以實現定時同時采集，定時采集數據的間隔時間可以在主機中根據需要設定。從各個傳感器中采集到的每一幀數據編碼也是不一致的，如字符編碼、十六進制編碼、BCD編碼等。這就需要對數據進行編解碼處理，統一編碼重新打包，每一幀采用32位字節表示，格式由2個字節的幀頭、2個字節的設備號（唯一的）、26個字節的數據、2個字節的校驗組成。數據傳輸采用LoRa終端地址+信道向LoRa網關定向傳輸，每個LoRa終端的地址都設成唯一，即使信道相同，兩者之間都不會相互干擾。

（2）系統設計了2種數據存儲方式，一種是嵌入式系統的SD卡，另一種是上傳到服務器上。這樣設計的目的是考慮到自然保護區內的環境復雜，無線信號有可能因外界的各種因素而導致網絡暫時失去連接，無法及時發送數據或是出現丟包導致數據出錯，因此把數據備份到系統SD卡中，出現上述狀況時，可以重新發送數據，避免數據丟失。SD卡是一種低成本的半導體記憶設備，它被廣泛用于便攜系統和工業設備中，具有容量大、體積小、數據傳輸速度快、成本低等特點。在監測系統中，通過SPI總線協議進行通信，支持單個塊和多個塊的讀寫操作。

（3）從LoRa終端到LoRa網關的數據傳輸，終端結點包括了物理層、MAC層和應用層。通信過程分為3個步驟：一是終端的激活，二是加入網絡，三是數據傳輸。終端激活可以采用ABP（Activation by Personalization，個性化激活）和OTAA（Over-the-Air Activation，空中激活）2種方式；終端加入網絡通過配置AppEUI和DevEUI參數；并且，取LoRa芯片的RSSI隨機值，得到DevNonce。將上述3個參數組織成Join Request數據幀，發送給LoRaWAN Server。LoRaWAN Server接收到Join Request后，分配DevAddr，連同AppNonce和NetID，組織成JoinAccept數據幀，回應給終端。終端成功接收Join Accept后便加入了網絡，最后進行數據的傳輸。

7 電源設計

在自然保護區中，系統要長期運行，必須有可靠的、穩定的供電設備，因此采用以鋰電為主、光伏板為輔的供電方式，白天光伏板可以提供鋰電充電，夜間鋰電可以提供設備供電。在不影響系統工作情況下，系統功耗設計要盡可能低，在光能有限的情況下，鋰電池能維持長時間的工作，保證整個設備長時間連續不間斷地工作。

8 結語

系統把LoRa的低功耗、超遠距離的物聯網技術應用到自然保護區中，實現對自然保護區的實時監測，提高了管理的效率，同時也為自然保護區生態的發展、保護、研究提供數據參考。

參 考 文 獻

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[2]Hyun Park.A technical overview of LoRa？ and LoRaWAN？[EB/OL].https：//www.LoRa-alliance.org/

What-Is-LoRa/LoRaWAN-White-Papers，2016-01-

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[3]孫曼.基于LoRa標準的MAC層協議研究[J].電視技術，2016（10）.

[責任編輯：鐘聲賢]