基于LoRa技術(shù)的水文遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式研究

史東華 李然

摘要：為解決水文遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)中監(jiān)測(cè)要素多、選址難度大、傳輸距離遠(yuǎn)和成本高等難題，結(jié)合LoRa傳輸技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提出了一種以LoRa模塊為載體的連通感知節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的無線通信傳輸方式，設(shè)計(jì)了以STM32-CortexM3微控制芯片為硬件核心和以μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件核心的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用可降低建站中布線、選址等難度，且能為水文遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供新的方法和思路。

關(guān)鍵詞：水文遙測(cè);數(shù)據(jù)傳輸;LoRa技術(shù);SX1268;微控制器

1 研究背景

水文遙測(cè)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)、通信技術(shù)形成的一種技術(shù)[1-2]，主要完成水文要素的感知、存儲(chǔ)和通信傳輸，從而實(shí)現(xiàn)水文信息監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。其中，數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)臅惩ê头€(wěn)定，直接影響到水文遙測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。我國已建設(shè)大量水文遙測(cè)站并由此組成了水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，其通信方式多采用GPRS、4G、VHF及衛(wèi)星等無線方式或者有線方式[3]。

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，以 WiFi、ZigBee、LoRa等技術(shù)為代表的無線通信技術(shù)逐步被各個(gè)行業(yè)采用。因受傳輸距離較近、參數(shù)配置不靈活等的限制，WiFi、ZigBee 等組網(wǎng)傳輸方式需要依靠有線串接的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為終端接入點(diǎn)，無法徹底擺脫對(duì)有線傳輸方式的依賴，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有水文遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩3]。LoRa是一種基于線性擴(kuò)頻調(diào)制的低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）通信技術(shù)，它延續(xù)了頻移鍵控調(diào)制的低功耗特征，同時(shí)又增加了通信距離、抗多徑、抗干擾能力[4]。

本文提出將LoRa技術(shù)應(yīng)用于水文遙測(cè)系統(tǒng)，能同時(shí)滿足低功耗與傳輸距離遠(yuǎn)方面需求，對(duì)水文信息進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 水文遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

水文遙測(cè)站適用于對(duì)水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發(fā)、泥沙、冰凌、墑情、水質(zhì)等水文要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，站點(diǎn)選址需考慮水文要素的代表性和可用的通信方式。水文遙測(cè)站點(diǎn)多建在野外，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)、河流、地形復(fù)雜地區(qū)等惡劣的自然環(huán)境，站點(diǎn)建設(shè)需考慮建設(shè)難易程度。

水文遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)在于及時(shí)提供精準(zhǔn)的水文數(shù)據(jù)信息，為水情預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)保障。系統(tǒng)組網(wǎng)需要可靠穩(wěn)定的公共通信技術(shù)或有線方式，目前多采用GPRS/4G/北斗衛(wèi)星、公網(wǎng)/移動(dòng)專線等。水文遙測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀多受建站位置和通信信號(hào)等因素制約。

系統(tǒng)在建設(shè)過程中存在以下問題：①一個(gè)水文站有多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面且相距較遠(yuǎn)時(shí)，受線路架設(shè)或通信方式制約，一套采集控制設(shè)備不能同時(shí)接入多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的傳感器，往往需要建設(shè)多套獨(dú)立的遙測(cè)站，增加了建站成本和單站多套數(shù)據(jù)整合的難度;②傳輸線路架設(shè)易受環(huán)境影響，多采用地埋方式，受干擾因素多，布設(shè)后不易檢修，地埋成本高;③在一些偏遠(yuǎn)山區(qū)或地形復(fù)雜地區(qū)，水文監(jiān)測(cè)斷面沒有4G、衛(wèi)星等公共通信網(wǎng)絡(luò)或者信號(hào)較弱時(shí)，需要把站點(diǎn)建在公共信號(hào)較好的地點(diǎn)，增加建站和布線難度，甚至要調(diào)整傳感器布設(shè)位置;④對(duì)于小型水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，利用公共通信資源將增加使用成本;⑤雖然可以選用VHF通信方式，但由于雷擊、維護(hù)難度大等因素影響，水情數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性得不到保證，又存在通信速率低、誤碼率高、功耗大等不足，無法保證穩(wěn)定性，也增加了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)難度。

綜上，對(duì)于水文遙測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，希望有一種建設(shè)成本低、傳輸穩(wěn)定性高、暢通率高、功耗低、穩(wěn)定性高和易維護(hù)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

3 LoRa技術(shù)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的典型技術(shù)，具有超長(zhǎng)距離傳輸、功耗低、數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，且設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)。LoRa采用線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，通信距離可達(dá)15 km以上，空曠地方甚至更遠(yuǎn);相比其他廣域低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，LoRa終端節(jié)點(diǎn)在相同的發(fā)射功率下可與網(wǎng)關(guān)或中繼通信更長(zhǎng)距離;LoRa網(wǎng)絡(luò)工作在非授權(quán)的ISM頻段，適用于野外通信環(huán)境較差的應(yīng)用場(chǎng)景;較長(zhǎng)的通信距離降低了建網(wǎng)復(fù)雜度，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本[5-6]。

3.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

LoRa技術(shù)可有效解決水文遙測(cè)站建設(shè)中遇到的線路、信號(hào)等問題。①LoRa具有長(zhǎng)距離傳輸、網(wǎng)絡(luò)容量大和靈活的特點(diǎn)，在布設(shè)水文要素傳感器時(shí)，遙測(cè)站只需控制設(shè)備接入多個(gè)傳感器，重點(diǎn)考慮傳感器布設(shè)的合理性和感知水情要素的代表性，布設(shè)更為靈活[7]。②LoRa在一定范圍內(nèi)可替代有線，不受傳感器間距離的影響，減少信號(hào)傳輸線路架設(shè)受干擾的因素、降低地埋成本，可避免線路中斷后不易檢查的問題[8]。③將LoRa中繼布設(shè)在4G公共移動(dòng)通信或北斗衛(wèi)星等信號(hào)較好的位置即可，遙測(cè)站數(shù)據(jù)通過LoRa中繼轉(zhuǎn)為移動(dòng)信號(hào)，通過此方式，可以解決不同的監(jiān)測(cè)斷面因公共移動(dòng)信號(hào)不好無法使用4G或北斗的問題。④直接通過LoRa網(wǎng)關(guān)，可以將多個(gè)水文要素直接轉(zhuǎn)向傳輸距離內(nèi)的接收服務(wù)器，以低廉的成本即可建立不依靠專網(wǎng)的小型水文遙測(cè)組網(wǎng)系統(tǒng)。使用LoRa傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)或中繼，可以減少4G移動(dòng)通信、北斗衛(wèi)星等信道甚至是專網(wǎng)的使用，不僅節(jié)省了對(duì)公共通信資源的使用，也節(jié)約了成本。⑤LoRa傳輸可以替代傳統(tǒng)的VHF通信方式，提升傳送能力、降低誤碼率、減小功耗，減少維護(hù)難度和成本。

3.3 LoRa在水文遙測(cè)中的傳輸組網(wǎng)

結(jié)合LoRa技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和水文遙測(cè)工作實(shí)際，建立LoRa傳輸系統(tǒng)。根據(jù)水情要素的代表性、傳感器布設(shè)合理性，以傳感器為中心布設(shè)若干個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，組成感知節(jié)點(diǎn)層。選擇4G公共移動(dòng)通信或北斗衛(wèi)星等信號(hào)較好的位置，布設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)面向多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互。由此，水情數(shù)據(jù)完成向公共網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)向。傳輸系統(tǒng)可分為感知節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)和中心站服務(wù)器等4個(gè)部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）感知節(jié)點(diǎn)由水情感知和LoRa模塊組成。水情感知點(diǎn)用于感知不同的水情數(shù)據(jù)，常見的有水位、雨量、流速、流量、溫度、鹽度和濁度等數(shù)據(jù)。利用LoRa模塊上傳感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點(diǎn)。

（2）中繼節(jié)點(diǎn)位于星狀網(wǎng)絡(luò)的核心位置，負(fù)責(zé)接收來自多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總組包后上傳。同時(shí)接收中心站服務(wù)器通過公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)傳來的下行指令，對(duì)相應(yīng)的感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指令操作。

（3）公共通信網(wǎng)絡(luò)為4G移動(dòng)通信、北斗衛(wèi)星，專用通信網(wǎng)絡(luò)為有線專網(wǎng)、LoRa組網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。

（4）中心站服務(wù)器為數(shù)據(jù)接收、處理、查詢和分析的終端。

這4部分相鄰層級(jí)之間的信息交互均為雙向，LoRa協(xié)議的多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了星形的LoRaWAN，中繼點(diǎn)由公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到指定服務(wù)器[9-10]。星型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在大范圍部署時(shí)具有更低的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜度和能耗[11]。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，主要是以感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)為中心。對(duì)于節(jié)點(diǎn)傳輸來說，既要滿足數(shù)據(jù)的接收和輸出，也要滿足節(jié)點(diǎn)的低功耗。節(jié)點(diǎn)間傳輸采用Semtech公司開發(fā)的SX1268射頻模塊。SX1268射頻模塊靈敏度可達(dá)-148 dBm，通信距離可達(dá)5 km，鏈路預(yù)算最大168 dB，內(nèi)置UART通信接口，可直接與主控制器通過UART通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。通過改變M0和M1的不同組合可被設(shè)置為一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，AUX引腳可以指示狀態(tài)切換與數(shù)據(jù)接收提醒。

（1）感知節(jié)點(diǎn)硬件。基于STM32-CortexM3系列低功耗微控制器主控芯片，芯片自帶UART接口，集成LoRa 無線通信射頻模塊、RS232接口、RS485接口、SDI12接口、IO接口、調(diào)試接口、LCD顯示、電源、感知傳感器等部分。LoRa 模塊的配置管理、收發(fā)控制等功能均在微控制器上編程實(shí)現(xiàn)。感知節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)見圖2。

（2）中繼節(jié)點(diǎn)硬件。基于STM32-CortexM3系列低功耗微控制器主控芯片，芯片自帶UART接口，集成LoRa 無線通信射頻模塊、公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)接口、調(diào)試接口、LCD顯示、電源等部分。中繼節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)見圖3。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)各自實(shí)現(xiàn)功能不同，故需要設(shè)計(jì)不同的運(yùn)行軟件。節(jié)點(diǎn)間的通信系統(tǒng)規(guī)定一套收發(fā)通信協(xié)議，保證節(jié)點(diǎn)之間通信的可靠性。軟件移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)在系統(tǒng)上的并發(fā)執(zhí)行。

（1）感知節(jié)點(diǎn)軟件。微控制器啟動(dòng)后首先對(duì)SX1268模塊、通信接口、LCD顯示等部分進(jìn)行初始化，系統(tǒng)自檢以確保初始化正常。對(duì)水情數(shù)據(jù)進(jìn)行感知，通過SX1268模塊上傳至中繼節(jié)點(diǎn)。之后關(guān)斷傳感器的供電，將SX1268模塊切換至休眠模式以節(jié)省耗電，最后微控制器進(jìn)入待機(jī)模式。休眠模式下的SX1268等待下一次來自中繼節(jié)點(diǎn)的喚醒，之后通過AUX引腳觸發(fā)微控制器喚醒中斷，微控制器喚醒初始化并感知數(shù)據(jù)后上傳，反復(fù)以上過程。感知節(jié)點(diǎn)工作流程見圖4。

創(chuàng)建Main_Task（）建立任務(wù);創(chuàng)建Hydro_Ele_ Task（）等任務(wù)進(jìn)行水情數(shù)據(jù)感知;創(chuàng)建Send_Recieve_Task（）任務(wù)進(jìn)行和中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互。同時(shí)使用事件標(biāo)志組來驅(qū)動(dòng)多任務(wù)使CPU資源得到充分利用。

（2）中繼節(jié)點(diǎn)軟件。微控制器啟動(dòng)分為定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)和來自公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程喚醒啟動(dòng)。

微控制器啟動(dòng)后，首先對(duì)SX1268模塊、通信接口、LCD顯示等部分進(jìn)行初始化，系統(tǒng)自檢以確保初始化正常。通過SX1268模塊向感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知指令，然后等待數(shù)據(jù)返回，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，向公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。之后關(guān)斷傳感器的供電，將SX1268模塊切換至休眠模式以節(jié)省耗電，最后微控制器進(jìn)入待機(jī)模式。休眠模式下的SX1268等待下一次微控制器喚醒，反復(fù)以上過程。中斷節(jié)點(diǎn)工作流程見圖5。

創(chuàng)建Main_Task（）建立任務(wù);創(chuàng)建Device_Get_ Task（）任務(wù)進(jìn)行感知節(jié)點(diǎn)感知任務(wù);創(chuàng)建Save_Data_Task（）任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ);創(chuàng)建Send_Data_Task（）任務(wù)進(jìn)行和公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。同時(shí)使用事件標(biāo)志組來驅(qū)動(dòng)多任務(wù)使CPU資源得到充分利用。

（3）節(jié)點(diǎn)安全。感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間的通信，采用握手方式和報(bào)文加密的方式保證數(shù)據(jù)安全。各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址配置，各自分配唯一的通信地址且地址不公開，通信開始階段先進(jìn)行握手，發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到有效回執(zhí)后再發(fā)送數(shù)據(jù)。收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)加密方式進(jìn)行解包和校驗(yàn)，再進(jìn)行后續(xù)處理。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)需要穩(wěn)定可靠的軟硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，選用YAC9900遙測(cè)終端作為載體實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。YAC9900遙測(cè)終端采用STM32-CortexM3的CPU架構(gòu)，具有RS232接口、RS485接口、調(diào)試接口、LCD顯示和各種常見的接口，硬件資源豐富。軟件采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，符合本設(shè)計(jì)中的軟件實(shí)施條件。通過YAC9900遙測(cè)終端集成LoRa 無線通信射頻模塊，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，提高集成效率。

5 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行野外站點(diǎn)的測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)通信暢通情況和功耗情況進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

（1）通過設(shè)備聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)能夠順利完成感知節(jié)點(diǎn)水情數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，中繼節(jié)點(diǎn)順利完成了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及與感知節(jié)點(diǎn)、公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)的交互。

測(cè)試LoRa模塊相互通信的數(shù)據(jù)丟包情況、傳輸距離，以及丟包率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸丟包率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

測(cè)試情況表明：在2 km范圍內(nèi)丟包暢通率在90%以上，在遙測(cè)站點(diǎn)建設(shè)時(shí)可以優(yōu)先考慮水文要素傳感器布設(shè)的最優(yōu)選址;其次考慮在2 km以內(nèi)，結(jié)合4G移動(dòng)通信或北斗衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度、安裝難度、成本等因素安裝水文遙測(cè)終端設(shè)備，同時(shí)可以節(jié)約公共移動(dòng)通信資源。

（2）測(cè)試LoRa模塊相互通信時(shí)的功耗情況，對(duì)各個(gè)模塊的平均功耗情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果見表2～3。

將LoRa模塊的功耗情況與傳統(tǒng)的VHF電臺(tái)以ND886A（10W發(fā)射）進(jìn)行對(duì)比，明顯得出LoRa模塊的發(fā)射電流、接收電流和休眠電流都明顯小于VHF電臺(tái)，體現(xiàn)出了功耗減小的優(yōu)勢(shì)。

（3）測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的總體功耗情況，感知節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)備配置不同，各自部分的功耗情況不同，測(cè)試LoRa模塊和相關(guān)硬件部分功耗。在工作狀態(tài)時(shí)，整體功耗在200 mA以內(nèi);在休眠狀態(tài)時(shí)，整體功耗在10 mA以內(nèi)。將LoRa模塊用于野外環(huán)境中的水文遙測(cè)系統(tǒng)，可以有效保持系統(tǒng)的低功耗，利于運(yùn)行和維護(hù)。

6結(jié) 語

本文針對(duì)水文遙測(cè)站點(diǎn)傳輸方式中存在的線路、信號(hào)等問題進(jìn)行了分析，結(jié)合LoRa技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，分析了將LoRa技術(shù)應(yīng)用到水文遙測(cè)站點(diǎn)建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。將LoRa通信模塊和水文遙測(cè)微控制器、多種水情感知要素的采集和傳輸進(jìn)行結(jié)合，提出了軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為不同環(huán)境下的建站方式、選址、傳感器布設(shè)和優(yōu)化資源配置等提供了一種思路。系統(tǒng)選用YAC9900遙測(cè)終端作為載體對(duì)LoRa模塊進(jìn)行集成，對(duì)系統(tǒng)的丟包率、功耗進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要更多實(shí)際的驗(yàn)證，在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)一步提高暢通率、降低功耗。如果實(shí)際測(cè)試保證了功耗低、通信距離長(zhǎng)、暢通率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來的運(yùn)用中具有廣泛的前景。

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（編輯：唐湘茜）