基于LoRa雙頻段網關節點的數據采集系統設計

劉懿俊，梁 軍，張 強

（深圳市地質局，廣東 深圳 518023）

0 引 言

我國地質環境復雜，地質活動頻繁，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發，受其影響和威脅的人口眾多[1]。為最大限度保障人民群眾生命財產安全，提供完善的地質災害監測（地災監測）預警系統至關重要。地災監測系統中，需要傳感器對地質狀態進行實時監測，數據采集（DAQ）系統對傳感器測量信息進行采集與回傳，通過數據實時分析及時發現地質狀態的異常變化，實現地災監測[2]。地質監測具有多種方式，包括無人機[3]、傳感器以及衛星監測等[4]。其中傳感器數據采集系統具有全時監測、低成本以及高效傳輸等優勢。

DAQ系統應用廣泛，針對不同應用需求，可以有針對性的設計相應DAQ系統[5-6]。對于需求簡單、環境友好的單一應用場景，DAQ系統設計易于實現，并具有極為穩定的性能。然而，地災監測系統安裝地點環境復雜，其對DAQ系統要求較高，如超長距離傳輸、低功耗運行、多頻段運行等，因此系統的設計難度較大。

2013年8月，Semtech公司發布了基于1 GHz以下的超長距、低功耗新型數據傳輸技術Long Range Radio（LoRa），其接收靈敏度可達-148 dBm，確保了網絡連接的可靠性。LoRa網絡主要由內置LoRa模塊終端、基站和服務器等組成，應用數據可雙向傳輸[7]。LoRa在極大改善數據接收靈敏度的同時，降低了功耗。其支持多信道多數據并行處理，系統容量大，支持測距和定位。LoRa技術已經被廣泛應用于海上救援系統[8]、地下礦井監測[9]以及實驗室設備監測[10]等領域的數據采集與監測。

本文以LoRa雙頻段網關節點為基礎進行地災監測的高集成度DAQ系統設計，在滿足地災監測嚴苛的環境要求以及復雜的數據采集需求的同時，實現系統的長時間穩定運行。

1 地災監測DAQ系統設計

應用于地災監測的高集成度DAQ系統主要包括三大設計難點。

（1）系統需具有多頻段采樣能力：在地質活動穩定期，地災監測采用常規采樣頻率，采樣頻率較低；地質活動活躍期，采用應急監測采樣頻率，采樣頻率較高。兩種監測狀態可同時運行，且系統可根據地質活動狀態隨時進行不同監測狀態的切換。

（2）地災監測點不存在運營商信號，且監測點間距離較遠，復雜的地質結構會對信號傳輸造成嚴重干擾，因此組建穩定的局域網對數據進行集中回傳至關重要。

（3）地災監測數據采樣周期長，一般3～5年為一個周期，且絕大部分監測點不具備市電供電能力，設備能耗的良好設計至關重要。

針對地災監測需求，提出基于LoRa雙頻段網關節點的DAQ系統設計方案。如圖1所示，系統以LoRa技術傳輸的網關和節點為主體，局域網關負責N（N≥30）個節點的控制與數據傳輸工作，每個節點負責M（M≥4）個傳感器（監測點）的供電控制與數據采集等工作。上層服務器通過已有的數據傳輸協議與網關進行數據交換。局域網關與節點的良好設計可以很好地解決監測點數據傳輸問題，采用LoRa傳輸技術可保證節點與網關之間長距離、多頻段的數據采樣與傳輸，自主電力系統可以實現節點與傳感器的長時間穩定工作。

圖1 LoRa雙頻段網關節點設計

此外，系統還集成有其他輔助模塊，包括報警系統、離線機制、藍牙與無線網、北斗衛星定位通信系統等。系統的封裝與安裝調試等設計也考慮了現場組網的復雜組裝環境以及惡劣的氣候。

2 LoRa雙頻段網關與節點設計

地災監測的DAQ系統中存在不同節點同時監測不同項目、不同監測點具有不同采樣頻率需求、常規監測和應急監測并行以及供電要求不一致等問題。為解決以上問題，需引入多種頻段進行數據傳輸，同時保證數據無丟失、信道不擁堵、系統運行穩定。

2.1 LoRa雙頻傳輸設計

多頻段設計重點在于防止信號之間的干擾以及數據傳輸擁堵，根據地災監測需求設計的LoRa雙頻數據傳輸系統主要包括高速頻段和低速頻段，如圖2所示。高速頻段應用于應急地災監測的高頻數據采集，數據采樣頻率為5～10 s/次；低速頻段用于常規地質災害監測，數據采樣頻率為10～30 min/次。采樣速率可根據遠程服務器、系統內編程等進行實時切換。同時，系統也可根據采樣信息的現場分析結果實現自主切換：如DAQ監測的單位窗口時間內地質運動頻繁，可自主將采樣速率調整為高速頻段；當監測的單位窗口時間內地質運動較弱，則系統自主調整為低速頻段。LoRa雙頻段設計可以靈活為同一局域網內的不同地災監測場景使用不同頻段，進行獨立的傳輸加密設計，在防止信號互相干擾的同時，有效避免信號傳輸擁堵，保證數據傳輸高效穩定。

圖2 雙頻監測設計

2.2 LoRa自主協議設計

LoRa具有完全開放的公用協議，對于地災監測DAQ系統的設計方便可行。然而，單純采用公用協議雖可極大降低開發時間與成本，但存在信號傳輸干擾的風險。地災監測一般處于開放的戶外，因此存在其他應用LoRa技術設備的可能性，一旦應用了相同LoRa公用協議的兩種系統彼此存在于各自有效數據傳輸范圍，必會產生信號干擾，將極大影響數據傳輸的安全和準確性。

以LoRa公用協議為基本框架進行獨立的私有數據傳輸協議自主開發，在區別于LoRa公用協議的同時，進一步對協議進行針對性改進，使協議更適用于地災監測DAQ系統。例如，自主協議可自定義離線數據傳輸機制，有效防止數據丟包；自主協議也可以提高局域網的網組間距，并保證信號傳輸的安全與穩定。

2.3 系統能耗設計

為保證DAQ設備良好運行，能源的穩定供給尤為重要。不同于其他電子電力設備，地災監測系統應用于不具備市電供電條件的無人地帶，欲滿足所有技術需求并同時保證設備在戶外長期在線監測，需要優秀的能耗管理與設計。能源設計主要從電力供應與降低功耗兩方面進行，如圖3所示。通過增大電池容量、提供太陽能電池板等措施提供有效的電力供應；通過設計超低功耗LoRa雙頻段硬件電路降低系統功耗。

圖3 系統能耗設計

低功耗硬件電路設計包括電路分離設計、多級電壓設計以及智能控制上電設計等。電路分離設計將系統的主電路與外圍電路進行分離供電。主電路保持全天候電力供應，保證服務器的實時通信，并隨時激活外圍電路。外圍電路保持全時休眠狀態，僅在受到主電路喚醒激活后進入監測狀態。傳統DAQ系統為降低硬件設計難度與成本，忽略不同模塊的電壓需求差異，采用單一電壓的能源供應，導致部分元器件供能過剩，耗能過多。通過多級電壓設計，保證針對不同傳感器、硬件模塊等提供相應的需求電壓，使各硬件均可實現最低功耗的穩定運行。普通監測系統的傳感器全時運行，上層數據采集模塊根據需求隨時從傳感器處調取測量數據，因此大部分時間傳感器處于無響應工作狀態，所設計的智能控制上電功能僅在上層出現數據采集需求時，系統才為傳感器提供電力并進行相關測量，極大降低傳感器端的能量消耗。

3 系統調試與實驗

3.1 LoRa節點模塊設計與調試

圖4所示為LoRa節點控制電路，設計節點能夠作為一個單節點網關正常工作，并具備4G模塊擴展能力。節點模塊同時集成傾角傳感器、振弦傳感器、溫度傳感器以及電池電壓傳感器，并均可實現穩定工作與輸出。傳感器電壓開關控制正常，能夠給外部傳感器供電，其滿足5～12 V，1 A標準。服務器可對節點進行多參數切換控制，節點能夠正常上線并回復數據。在不超過LoRa網關標稱負荷的情況下，對節點進行數據傳輸壓力試驗，所有數據均能夠穩定傳送到服務器。

圖4 節點控制電路

3.2 LoRa網關模塊設計與調試

網關模塊具有獨立設計的防中斷4G通信調度算法，正常工作條件下去掉網關4G模塊30 min隨即恢復4G模塊連接，服務器仍可收到帶有離線數據標記的完整數據。在理想射頻環境下，網關具備理論最大負載20%的數據傳輸超載能力，且超載條件下寫數據仍具有較小延遲以及100%上傳成功率。常規射頻環境下，節點上傳的數據包不超過200 B時，每個節點每2 s上報一個數據包的丟包率為0。

實驗中，網關模塊對通信干擾、頻道占用、數據擁塞具有很好的抵抗能力。網關能夠穩定檢測傳送數據出錯，并通知節點進行重傳。在射頻干擾復雜、同頻設備過多的情況下，網關可能丟失部分數據包。

3.3 LoRa網關與節點協同壓力調試

在開闊地帶對LoRa網關與節點進行協同測試，實驗結果見表1所列。

通信距離不小于1 km，采用30個節點對單網關系統進行壓力測試：網關吞吐量不超過20%，丟包率小于5%，可穩定重傳。

現場架設60個節點和3個網關，測試距離超3 km：在數據吞吐量不超過理論值20%的情況下，各子網均能夠正常獨立通信，丟包率下降到2%以下。

在以上系統壓力測試中，對任意一組網關進行掉電操作，30 min后重新上電，系統可恢復正常運行；在以上系統壓力測試中，對任意一組節點進行掉電操作，30 min后重新上電，系統可恢復正常運行。在所有調試實驗中，節點模組休眠電流均小于2 μA。

表1 網關節點協同壓力調試

4 結 語

以LoRa雙頻段網關節點為基礎，完成地災監測的數據采集系統設計，如圖5所示。所設計系統通過LoRa技術完成低頻、高頻的雙頻段網關節點數據傳輸，實現低功耗長時間穩定運行。以自主設計LoRa協議為基礎，在遠距離監測范圍內實現抗外擾影響的穩定數據傳輸。該設計經濟、高效、穩定，同時集成有北斗定位等多種輔助功能，適用于大規模地災監測。

圖5 LoRa雙頻段網關節點設備