基于LoRa的雷場探測系統動態自組網研究

孫愷 黃采倫 田勇軍 戴長城 黃華曦

摘 要：為了滿足戰后掃雷的實際需求，針對現有雷場探測技術的不足，設計基于多源信息同步探測、具有雷場掃描探測和疑似目標探測兩種工作模式的雷場探測系統。系統由一個設置在安全位置的探測控制主機和多個具有飛行、探測功能的探測分機組成。采用基于LoRa的無線通信技術，進行LoRa無線通信模塊硬件電路設計與動態自組網方式設計，并以Mesh網絡拓撲實現自組網。最后，在雷場探測模擬試驗場環境下對系統進行測試，在不同通信距離條件下對系統傳輸功率及丟包率的測試結果表明，該系統能滿足雷場探測過程中的多任務處理要求。

關鍵詞：雷場探測;LoRa;動態自組網;Mesh網絡

DOI：10. 11907/rjdk. 201194

中圖分類號：TP301文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0184-06

Abstract：Aiming at the shortcomings of existing minefield detection technology and the actual needs of post-war mine clearance， this paper designs a minefield detection system based on multi-source information synchronous detection with minefield scanning detection and suspected target detection modes. The system consists of a detection control host set in a safe position and multiple detection extensions with flight and detection functions. The system uses LoRa-based wireless communication technology and implements an ad hoc network with a Mesh network topology. This paper designs the hardware circuit of LoRa wireless communication module and the dynamic ad hoc networking method， and complets the Mesh networking and software implementation of the system. Finally， the system is tested in the environment of radar detection simulation test field. The test results of the systems transmission power and packet loss rate under different communication distance conditions show that the system and method can meet the multitasking requirements of the minefield detection process.

Key Words：minefield detection;LoRa;dynamic ad hoc network;Mesh network

0 引言

地雷探測設備及地雷探測系統種類繁多，采用的技術也各不相同，但地雷探測基本原理都是一致的，即利用地雷中某種物質的物理或化學特性差異進行檢測[1-2]。隨著科技的發展以及各國對戰后遺留地雷問題的廣泛關注，地雷探測問題已成為國際社會關注的熱點問題。傳統大多采用人工探測的方式排查地雷，危險性極高。之后又應用紅外成像探測、超聲波探測等多種地雷探測技術，但這些探測技術都存在一定局限性，例如廣泛使用的金屬探測器存在探測效率及準確率低等缺點[3-6]。針對現有地雷探測方法的不足，本文基于UWB（Ultra Wide Band）雷達波、脈沖電磁感應、天然電磁場等多種探測技術，并結合飛行控制與避障、RTK-GPS定位、WSN組網控制、同步探測與多源信息融合反演等方法，構建一主（1個探測控制主機）多從（N個探測分機）的復合雷場探測系統。

考慮到復合雷場探測系統中運用多種探測技術以及不同探測方式完成探測任務，雷場探測需要多種控制指令實現探測過程中探測控制主機對各個探測分機的探測任務控制。因此，WSN需滿足遠距離傳輸、低功耗、低成本等雷場探測控制指令傳輸要求。目前常用于WSN的無線通信技術有WiFi、Zigbee、LoRa、4G等[7]。其中，WiFi開發簡單、組網便捷，但僅限于百米內的短距離傳輸[8-9];Zigbee同樣也只適用于短距離傳輸[10-13]，且工作在2.4GHz頻段時容易受到其它信號干擾;LoRa技術結合了擴頻調制和線性調頻兩種方法的優勢，在空曠環境中的傳輸距離可達幾千米[14-15];4G通信技術雖然數據傳輸速率較快，理論上可達到100Mbit/s，但由于在偏遠地區4G基站數量較少，甚至無4G基站，導致4G網絡不能完全覆蓋所有地區，且網絡信號較弱。通過綜合分析與比較，LoRa能較好地滿足遠距離傳輸、低功耗等雷場探測過程中的無線傳輸要求。

因此，本文選用LoRa無線通信技術和Mesh網絡拓撲結構實現雷場探測控制指令傳輸。LoRa將數字擴頻和前向糾錯碼等技術融合在一起，具有極強的抗干擾能力，適用于遠距離、低功耗以及對傳輸速率、數據容量要求不高的應用場景[16-17];采用Mesh網絡拓撲結構實現自組網網絡，具有網絡穩定、網絡部署速度快、無需復雜配置、網絡覆蓋范圍大、可通過增加節點方式擴大網絡范圍等優勢[18-19]。通過實驗進行驗證，結果表明，基于LoRa的雷場探測系統動態自組網可滿足雷場探測過程中的多任務處理要求。

1 雷場探測系統總體結構設計

1.1 雷場探測系統總體設計

雷場探測系統由探測控制主機以及具有飛行與多源信息探測功能的探測分機群組成。探測控制主機根據雷場探測區域面積和探測任務要求規劃分配探測工作、布置探測分機數量，對探測數據進行反演、成圖顯示并生成探測報告。探測控制主機具備雷場探測區域航線規劃、探測分機飛行控制與同步探測控制功能;探測分機具備LoRa通信功能，并集成了UWB雷達波、脈沖電磁感應、天然電場3種雷場探測技術。雷場探測系統框架如圖1所示。

在進行雷場探測時，將探測控制主機布置在探測區域200m外的安全位置，以無線、遠距離傳輸方式操控探測分機低空飛行執行探測任務。在探測完成返回后，控制探測分機同步完成探測數據的反演，然后將反演結果傳輸給探測控制主機進行成圖顯示，并生成探測報告。雷場探測系統具有雷場掃描探測、疑似目標探測兩種工作模式，首先在探測區域進行雷場掃描探測，根據探測結果確定疑似區域，進而對疑似區域進行疑似目標探測。在兩種工作模式下，探測分機采用不同的飛行編隊，因此探測過程中的動態自組網網絡結構也將根據飛行編隊的變化而改變。

1.2 雷場掃描探測模式

雷場掃描探測時，N個探測分機采用“一”字型飛行編隊進行飛行，因此其動態自組網網絡結構也將采用“一”字型結構。雷場掃描探測的動態自組網網絡結構由一個與探測控制主機連接的LoRa通信主基站和N個（N根據雷場區域大小而定）與探測分機連接的LoRa通信分基站組成。每個探測分機上均集成有一個數據采集模塊，每個數據采集模塊可采用UWB雷達波、脈沖電磁感應、天然電場3種探測方式。在雷場掃描探測過程中，探測分機使用3種方式進行分時、同步探測。每次探測時，探測控制主機在當前RTK-GPS定位輸出脈沖的上升沿，通過LoRa通信主基站發送“探測預備”指令給在探測區域上空飛行的N個探測分機上的LoRa通信分基站，LoRa通信分基站將接收到的控制指令傳輸給探測分機的探測MCU，各探測分機在下一個RTK-GPS定位輸出脈沖的上升沿同步執行探測任務。雷場掃描探測模式如圖2所示。

數據采集模塊由探測分機搭載，以一個“一”字型編隊進行探測區域掃描。探測分機采用波束角為90°的發射接收天線，其飛行高度h等于發射波束在地面投影圓的半徑r（見圖2）。因此，設置各探測分機的間距d=2r，并按等間距分布。根據探測區域大小、探測精度要求、雷場環境等調節探測分機飛行高度和飛行間距。

1.3 疑似目標探測模式

疑似目標探測模式網絡架構如圖3所示，由1個探測控制主機和7個探測分機組成，探測控制主機布置在疑似區域外D≥200m的安全位置。7個探測分機按“正六邊型”編隊方式進行飛行與探測，探測分機0為長機，1-6為僚機。長機接受探測控制主機通過LoRa發送的飛行與探測指令，然后通過LoRa動態自組網控制僚機一起完成飛行與探測任務。

在疑似目標探測模式下，采用如圖3所示的探測方案進行疑似目標探測與識別。該探測模式由1個設置在發射/接收狀態的長機和6個設置在接收狀態的僚機組成，在探測控制主機的控制下對疑似目標區域進行分時、同步探測。由于探測天線波束角均為90o，因此發射波束在地面的投影半徑r等于探測分機0的飛行高度h。設探測區域為平面，將探測分機1-6均勻布置在高度h、半徑r的圓周上，則探測分機0發射/接收的有效投影范圍（實線區域）、發射/接收的有效接收范圍（虛線區域）如圖4所示。

2 基于LoRa的動態自組網設計

2.1 探測模塊硬件結構設計

在雷場探測動態自組網系統設計中，系統硬件包括探測控制主機模塊和數據采集模塊。在探測分機中，將LoRa通信分基站集成在數據采集模塊上，其電路框架如圖5所示，主要包括主控芯片TMS320C6726以及外圍時鐘電路、復位電路、存儲器、鋰電池、電源電路、UWB雷達波探測電路、脈沖電磁感應探測電路、天然電場探測電路、RTK-GPS、LoRa通信分基站電路等。

LoRa通信主基站與各個LoRa通信分基站均選擇Sx1278作為射頻芯片，LoRa無線通信電路由Semtech Sx1278芯片及其外圍電路組成。Sx1278芯片采用的LoRaTM調制解調器可用于超長距離通信，抗干擾能力強，能夠最大限度地降低電流消耗[20]，接收靈敏度最高可達到-148dBm。LoRaTM調制解調器采用循環糾錯碼進行前向錯誤檢測與糾錯，提高了鏈路的魯棒性。同時，LoRaTM擴頻調制方法靈活性較強，使用者可根據實際需求自由設置頻帶寬度（BW）、擴頻因子（SF）和糾錯率（CR）等[21]。Sx1278電路原理如圖6所示。

數據采集模塊主控芯片為TMS320C6726，用于控制探測數據采集、探測數據預處理，以及LoRa通信控制指令的收發等。TMS320C6726主控芯片特點是多個功能單元可以并行工作，在單個時鐘周期內能夠同時實現多條指令的并行執行，有較強的數據處理能力，并配備功能強大的指令系統。

2.2 基于LoRa的動態自組網

根據上文所述的探測系統結構，以下基于LoRa的動態自組網也包括雷場掃描探測模式動態自組網和疑似目標探測模式動態自組網。兩種組網方式基本相同，主要為：LoRa通信主基站發送各種控制指令后，各數據采集節點都按照約定的GPS脈沖同步開始執行控制指令，根據返回數據包攜帶的地址信息與數據采集節點建立路由列表，并對其進行維護。如果數據采集節點通信失敗，則進行多次通信連接;多次連接若仍未成功，則會將數據采集節點重新連接入網并進行入網認證，進而保證雷場探測系統動態自組網節點的完整性。若多次建立路由失敗，無法與該數據采集節點進行通信，則判斷該數據采集節點退出雷場探測自組網系統。

兩種組網具體實施過程如下：

（1）雷場掃描探測模式。雷場掃描探測模式組網示意圖如圖7所示，探測控制主機根據雷場區域大小和環境信息完成航線規劃，并配置LoRa動態自組網系統的探測分機數量。各探測分機完成上電、LoRa動態自組網后，到達雷場探測區域規劃航線起始位置。LoRa通信主基站與各個LoRa通信分基站之間以廣播形式發送同步探測控制指令數據包，并接收各個LoRa通信分基站回復的成功應答數據包。探測分機飛行到規劃航線終點位置并完成探測任務后，在探測控制主機的控制下返回到探測控制主機附近區域降落，然后與探測控制主機一起對探測數據進行多源信息融合、地雷特征識別與同步三維反演運算，分析出疑似地雷區域位置、面積等信息。

（2）疑似目標探測模式。疑似目標探測模式組網示意圖如圖8所示，探測控制主機根據雷場掃描探測結果進行飛行航線規劃，并配置LoRa動態自組網系統的數據采集節點數量。各探測分機完成上電、LoRa動態自組網后，飛行到疑似地雷區域起始邊緣。LoRa通信主基站與長機LoRa通信分基站S0之間進行定點單播通信，以發送同步探測控制指令數據包，并接收LoRa通信分基站S0回復的成功應答數據包;僚機LoRa通信分基站S1-S6與長機LoRa通信分基站S0之間進行動態自組網，在探測控制主機的控制下進行疑似目標探測任務。探測分機完成疑似目標探測任務后，按照設置的航線返回起始位置并降落，與探測控制主機一起對探測數據進行多源信息融合、地雷特征識別與同步三維反演運算，對兩種探測方式的多次探測結果進行分析，得出探測雷場區域的地雷數量、精準位置等信息。

3 系統Mesh組網與軟件實現

3.1 系統Mesh組網

在雷場掃描探測模式和疑似目標探測模式下，探測控制主機與N個數據采集節點構成Mesh網絡拓撲，探測控制主機到N個數據采集節點之間以廣播形式或定點單播形式進行探測控制指令數據傳輸，N個數據采集節點到探測控制主機之間以單播形式進行通信。Mesh網絡拓撲結構由探測控制主機進行集中管理，各數據采集節點均與探測控制主機進行通信，探測控制主機與各數據采集節點的數據傳輸均可經過多跳完成。雷場探測系統動態自組網網絡拓撲簡單、通信數據量少，Mesh網絡拓撲可滿足雷場探測系統動態自組網的要求。

不同于傳統集中式無線網絡受限于發射功率而導致網絡覆蓋范圍小、通信距離相對較短等，Mesh網絡可以擴大無線網絡通信范圍，避免通信盲區。由于多跳機制的存在，網絡中各個節點可以相互作為中繼，建立多跳通信鏈路，并構成網狀結構。網狀結構靈活性較強，能夠快速完成網絡配置，并提升網絡的容錯能力和連通性。

3.2 系統通信軟件實現

（1）數據幀格式。為滿足雷場探測系統中3種探測技術同步探測，以及LoRa通信主基站與各個LoRa通信分基站之間的控制指令傳輸，將發送數據幀中用戶數據字段的第一個字節設置為控制命令字符進行控制命令傳輸，在禁止路由、自動路由與強制路由模式下發送數據幀負荷格式（見表1）。

節點地址：表示發送數據的目標地址;ACK請求：00表示無需應答，01表示需要應答;發送半徑：01-07表示1-7跳;路由方式：00表示禁止路由，01表示自動路由，02表示強制路由，03表示源路由;數據長度：表示用戶數據字節數;用戶數據：第一個字節表示控制指令，00表示開始UWB雷達波同步數據采集，01表示結束UWB雷達波同步數據采集，02表示開始脈沖電磁感應同步數據采集，03表示結束脈沖電磁感應同步數據采集，04表示開始天然電場同步數據采集，05表示結束天然電場同步數據采集，06表示開始同步探測數據傳輸，07表示結束同步探測數據傳輸，08表示開始同步多源信息融合運算，09表示結束同步多源信息融合運算，0A表示開始同步地雷特征識別運算，0B表示結束同步地雷特征識別運算，0C表示開始同步三維反演運算，0D表示結束同步三維反演運算。在禁止路由、自動路由與強制路由模式下，應答幀負荷格式如表2所示。

節點地址：表示發送數據的目標地址;應答信息：07表示未找到路由，00表示發送成功。

在禁止路由、自動路由與強制路由模式下，接收數據幀負荷格式如表3所示。

數據來源地址：表示數據是從哪個節點傳輸過來的;信號強度：數值越大說明接收信號越好;數據長度：表示用戶數據字節數;用戶數據：第一個字節表示控制指令，其定義與發送數據幀負荷格式一致。

（2）控制指令發送。探測控制主機的LoRa通信模塊上電，開始初始化，配置網絡串口參數，包括串口、波特率、無線頻率、發射功率、串口校驗、串口速率等，完成自組網。LoRa無線通信模塊在待機模式下將數據寫入FIFO緩存，LoRa通信主基站以廣播形式發送數據包（控制指令）給各個LoRa通信分基站，數據包發送完成后，查看是否接收到所有LoRa通信分基站的成功應答信息，若未完成接收，則重新廣播發送數據包;若完成接收，判斷是否有待發數據包。如果有，則將待發送數據寫入FIFO中，如果沒有，則結束發送流程。探測控制主機發送數據包流程如圖9所示。

（3）控制指令接收。各個探測分機電源開啟后， LoRa通信分基站上電，數據采集節點初始化，配置網絡串口參數，包括串口、波特率、無線頻率、發射功率、串口校驗、串口速率等，完成自組網。各探測分機到達雷場探測區域起始或終止處（飛行航線起點或終點），接收到探測控制主機發來的數據包（控制指令），按照預設的GPS同步脈沖開始執行控制指令。探測分機接收數據包流程如圖10所示。

4 系統測試與結果

本文對基于LoRa的動態自組網系統進行實驗驗證，主要包括自組網時間、不同發射功率下的通信速率和丟包率等。測試場地為湖南科技大學雷場探測技術實驗場，實驗場區為300*500m模擬雷場環境。在該模擬雷場環境下，影響通信因素的有樹木、建筑物、4G基站等。

對Mesh網絡的自組網時間進行測試，檢測Mesh自組網時間是否滿足雷場探測任務對快速組網響應和控制指令及時傳輸的要求。

在雷場探測實驗場環境下，由7架飛行高度為30m、間距為60m的探測分機進行基于LoRa的雷場探測系統動態自組網通信測試。針對不同的數據傳輸距離，對基于LoRa的雷場探測動態自組網的通信丟包率與功耗進行測試，測試結果如表4所示。

由表4的實驗測試結果可知，在供電電壓同為DC3.3V的條件下，LoRa通信距離增大到1 200m，仍能滿足雷場探測動態自組網系統需求。

由表5的實驗測試結果可知，在供電電壓同為DC3.3V的條件下，當LoRa通信距離增大，LoRa通信模塊發射電流也隨之增大，且發射電流明顯大于接收電流。在接收、待機狀態下，電流與通信距離基本無關。

根據以上測試，基于LoRa的雷場探測動態自組網系統設計滿足項目需求，能夠完成雷場復合探測系統架構的同步探測任務。

5 結語

本文提出可應用于雷場特殊環境下的LoRa動態自組網系統，該系統具有多任務處理能力，且自組網時間短，滿足多種探測技術分時同步探測和探測數據同步傳輸的要求。LoRa無線通信硬件電路具有體積小、功耗低、結構簡單等優點，采用的Mesh網絡拓撲結構可滿足雷場探測任務要求。之后在模擬雷場環境下，對基于LoRa的雷場探測動態自組網系統進行測試，結果表明，雷場探測系統動態自組網具有功耗低、可進行遠距離傳輸等優點，從而能減少節點能耗、延長網絡生命周期。在同樣的低功耗條件下，其通信距離相比傳統無線射頻通信提升了幾倍。但該系統動態自組網的控制、探測等功能較為單一，在未來研究中，可在本文基礎上對系統功能加以拓展。

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（責任編輯：黃 健）