基于LoRa技術的水文遙測數據傳輸方式研究

史東華 李然

摘要：為解決水文遙測系統建設中監測要素多、選址難度大、傳輸距離遠和成本高等難題，結合LoRa傳輸技術的特點和優勢，提出了一種以LoRa模塊為載體的連通感知節點到中繼節點的無線通信傳輸方式，設計了以STM32-CortexM3微控制芯片為硬件核心和以μC/OS-II實時操作系統為軟件核心的系統。該系統的應用可降低建站中布線、選址等難度，且能為水文遙測系統建設提供新的方法和思路。

關鍵詞：水文遙測;數據傳輸;LoRa技術;SX1268;微控制器

1 研究背景

水文遙測是基于現代信息技術、通信技術形成的一種技術[1-2]，主要完成水文要素的感知、存儲和通信傳輸，從而實現水文信息監測的自動化。其中，數據通信傳輸的暢通和穩定，直接影響到水文遙測系統的實時性和穩定性。我國已建設大量水文遙測站并由此組成了水文自動測報系統，其通信方式多采用GPRS、4G、VHF及衛星等無線方式或者有線方式[3]。

近年來，隨著無線通信技術的發展，以 WiFi、ZigBee、LoRa等技術為代表的無線通信技術逐步被各個行業采用。因受傳輸距離較近、參數配置不靈活等的限制，WiFi、ZigBee 等組網傳輸方式需要依靠有線串接的無線網關設備作為終端接入點，無法徹底擺脫對有線傳輸方式的依賴，難以實現現有水文遙測系統對數據傳輸的要求[3]。LoRa是一種基于線性擴頻調制的低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）通信技術，它延續了頻移鍵控調制的低功耗特征，同時又增加了通信距離、抗多徑、抗干擾能力[4]。

本文提出將LoRa技術應用于水文遙測系統，能同時滿足低功耗與傳輸距離遠方面需求，對水文信息進行自動監測，有助于提高系統的穩定性。

2 水文遙測系統建設

水文遙測站適用于對水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發、泥沙、冰凌、墑情、水質等水文要素進行實時監測，站點選址需考慮水文要素的代表性和可用的通信方式。水文遙測站點多建在野外，地處偏遠山區、河流、地形復雜地區等惡劣的自然環境，站點建設需考慮建設難易程度。

水文遙測系統建設的目標在于及時提供精準的水文數據信息，為水情預報和監測提供數據保障。系統組網需要可靠穩定的公共通信技術或有線方式，目前多采用GPRS/4G/北斗衛星、公網/移動專線等。水文遙測系統的現狀多受建站位置和通信信號等因素制約。

系統在建設過程中存在以下問題：①一個水文站有多個監測斷面且相距較遠時，受線路架設或通信方式制約，一套采集控制設備不能同時接入多個監測斷面的傳感器，往往需要建設多套獨立的遙測站，增加了建站成本和單站多套數據整合的難度;②傳輸線路架設易受環境影響，多采用地埋方式，受干擾因素多，布設后不易檢修，地埋成本高;③在一些偏遠山區或地形復雜地區，水文監測斷面沒有4G、衛星等公共通信網絡或者信號較弱時，需要把站點建在公共信號較好的地點，增加建站和布線難度，甚至要調整傳感器布設位置;④對于小型水文自動測報系統，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、維護難度大等因素影響，水情數據傳輸穩定性得不到保證，又存在通信速率低、誤碼率高、功耗大等不足，無法保證穩定性，也增加了系統運行維護難度。

綜上，對于水文遙測數據的傳輸，希望有一種建設成本低、傳輸穩定性高、暢通率高、功耗低、穩定性高和易維護的數據傳輸方式。

3 LoRa技術

3.1 技術特點

LoRa作為低功耗廣域網的典型技術，具有超長距離傳輸、功耗低、數據量小、網絡容量大等特點，且設計靈活性強。LoRa采用線性擴頻調制技術，通信距離可達15 km以上，空曠地方甚至更遠;相比其他廣域低功耗物聯網技術，LoRa終端節點在相同的發射功率下可與網關或中繼通信更長距離;LoRa網絡工作在非授權的ISM頻段，適用于野外通信環境較差的應用場景;較長的通信距離降低了建網復雜度，從而降低了網絡的維護成本[5-6]。

3.2 應用優勢

LoRa技術可有效解決水文遙測站建設中遇到的線路、信號等問題。①LoRa具有長距離傳輸、網絡容量大和靈活的特點，在布設水文要素傳感器時，遙測站只需控制設備接入多個傳感器，重點考慮傳感器布設的合理性和感知水情要素的代表性，布設更為靈活[7]。②LoRa在一定范圍內可替代有線，不受傳感器間距離的影響，減少信號傳輸線路架設受干擾的因素、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中繼布設在4G公共移動通信或北斗衛星等信號較好的位置即可，遙測站數據通過LoRa中繼轉為移動信號，通過此方式，可以解決不同的監測斷面因公共移動信號不好無法使用4G或北斗的問題。④直接通過LoRa網關，可以將多個水文要素直接轉向傳輸距離內的接收服務器，以低廉的成本即可建立不依靠專網的小型水文遙測組網系統。使用LoRa傳輸到網關或中繼，可以減少4G移動通信、北斗衛星等信道甚至是專網的使用，不僅節省了對公共通信資源的使用，也節約了成本。⑤LoRa傳輸可以替代傳統的VHF通信方式，提升傳送能力、降低誤碼率、減小功耗，減少維護難度和成本。

3.3 LoRa在水文遙測中的傳輸組網

結合LoRa技術的應用優勢和水文遙測工作實際，建立LoRa傳輸系統。根據水情要素的代表性、傳感器布設合理性，以傳感器為中心布設若干個感知節點，組成感知節點層。選擇4G公共移動通信或北斗衛星等信號較好的位置，布設中繼節點，中繼節點面向多個感知節點的數據交互。由此，水情數據完成向公共網絡的轉向。傳輸系統可分為感知節點、中繼節點、公共/專用通信網絡和中心站服務器等4個部分，系統結構如圖1所示。

（1）感知節點由水情感知和LoRa模塊組成。水情感知點用于感知不同的水情數據，常見的有水位、雨量、流速、流量、溫度、鹽度和濁度等數據。利用LoRa模塊上傳感知節點的數據到中繼節點。

（2）中繼節點位于星狀網絡的核心位置，負責接收來自多個感知節點的數據，對數據進行匯總組包后上傳。同時接收中心站服務器通過公共/專用通信網絡傳來的下行指令，對相應的感知節點進行指令操作。

（3）公共通信網絡為4G移動通信、北斗衛星，專用通信網絡為有線專網、LoRa組網等網絡。

（4）中心站服務器為數據接收、處理、查詢和分析的終端。

這4部分相鄰層級之間的信息交互均為雙向，LoRa協議的多個感知節點和中繼節點構成了星形的LoRaWAN，中繼點由公共/專用通信網絡進入到指定服務器[9-10]。星型拓撲的網絡架構在大范圍部署時具有更低的網絡拓撲復雜度和能耗[11]。

4 系統設計

4.1 硬件設計

系統硬件的設計，主要是以感知節點和中繼節點的設計為中心。對于節點傳輸來說，既要滿足數據的接收和輸出，也要滿足節點的低功耗。節點間傳輸采用Semtech公司開發的SX1268射頻模塊。SX1268射頻模塊靈敏度可達-148 dBm，通信距離可達5 km，鏈路預算最大168 dB，內置UART通信接口，可直接與主控制器通過UART通信接口進行數據傳遞。通過改變M0和M1的不同組合可被設置為一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，AUX引腳可以指示狀態切換與數據接收提醒。

（1）感知節點硬件。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、收發控制等功能均在微控制器上編程實現。感知節點硬件架構見圖2。

（2）中繼節點硬件。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/專用通信網絡接口、調試接口、LCD顯示、電源等部分。中繼節點硬件架構見圖3。

4.2 軟件設計

系統軟件設計中，感知節點和中繼節點各自實現功能不同，故需要設計不同的運行軟件。節點間的通信系統規定一套收發通信協議，保證節點之間通信的可靠性。軟件移植μC/OS-II實時操作系統實現多任務在系統上的并發執行。

（1）感知節點軟件。微控制器啟動后首先對SX1268模塊、通信接口、LCD顯示等部分進行初始化，系統自檢以確保初始化正常。對水情數據進行感知，通過SX1268模塊上傳至中繼節點。之后關斷傳感器的供電，將SX1268模塊切換至休眠模式以節省耗電，最后微控制器進入待機模式。休眠模式下的SX1268等待下一次來自中繼節點的喚醒，之后通過AUX引腳觸發微控制器喚醒中斷，微控制器喚醒初始化并感知數據后上傳，反復以上過程。感知節點工作流程見圖4。

創建Main_Task（）建立任務;創建Hydro_Ele_ Task（）等任務進行水情數據感知;創建Send_Recieve_Task（）任務進行和中繼節點的數據交互。同時使用事件標志組來驅動多任務使CPU資源得到充分利用。

（2）中繼節點軟件。微控制器啟動分為定時自動啟動和來自公共/專用通信網絡的遠程喚醒啟動。

微控制器啟動后，首先對SX1268模塊、通信接口、LCD顯示等部分進行初始化，系統自檢以確保初始化正常。通過SX1268模塊向感知節點發送感知指令，然后等待數據返回，存儲數據，向公共/專用通信網絡上傳數據。之后關斷傳感器的供電，將SX1268模塊切換至休眠模式以節省耗電，最后微控制器進入待機模式。休眠模式下的SX1268等待下一次微控制器喚醒，反復以上過程。中斷節點工作流程見圖5。

創建Main_Task（）建立任務;創建Device_Get_ Task（）任務進行感知節點感知任務;創建Save_Data_Task（）任務進行數據存儲;創建Send_Data_Task（）任務進行和公共/專用通信網絡的數據交互。同時使用事件標志組來驅動多任務使CPU資源得到充分利用。

（3）節點安全。感知節點和中繼節點間的通信，采用握手方式和報文加密的方式保證數據安全。各個節點按照系統的網絡地址配置，各自分配唯一的通信地址且地址不公開，通信開始階段先進行握手，發送節點收到有效回執后再發送數據。收到數據的節點根據加密方式進行解包和校驗，再進行后續處理。

4.3 系統實現

感知節點和中繼節點需要穩定可靠的軟硬件設計平臺，選用YAC9900遙測終端作為載體實現實際應用。YAC9900遙測終端采用STM32-CortexM3的CPU架構，具有RS232接口、RS485接口、調試接口、LCD顯示和各種常見的接口，硬件資源豐富。軟件采用μC/OS-II實時操作系統，符合本設計中的軟件實施條件。通過YAC9900遙測終端集成LoRa 無線通信射頻模塊，可以簡化設計過程，提高集成效率。

5 系統測試

對節點系統進行野外站點的測試，對數據通信暢通情況和功耗情況進行測試和驗證。

（1）通過設備聯調，系統能夠順利完成感知節點水情數據的采集與發送，中繼節點順利完成了數據的存儲以及與感知節點、公共/專用通信網絡的交互。

測試LoRa模塊相互通信的數據丟包情況、傳輸距離，以及丟包率的對應關系。對感知節點和中繼節點間的數據傳輸丟包率進行了測試，測試結果見表1。

測試情況表明：在2 km范圍內丟包暢通率在90%以上，在遙測站點建設時可以優先考慮水文要素傳感器布設的最優選址;其次考慮在2 km以內，結合4G移動通信或北斗衛星信號強度、安裝難度、成本等因素安裝水文遙測終端設備，同時可以節約公共移動通信資源。

（2）測試LoRa模塊相互通信時的功耗情況，對各個模塊的平均功耗情況進行了統計，測試結果見表2～3。

將LoRa模塊的功耗情況與傳統的VHF電臺以ND886A（10W發射）進行對比，明顯得出LoRa模塊的發射電流、接收電流和休眠電流都明顯小于VHF電臺，體現出了功耗減小的優勢。

（3）測試系統實際運行中的總體功耗情況，感知節點和中繼節點設備配置不同，各自部分的功耗情況不同，測試LoRa模塊和相關硬件部分功耗。在工作狀態時，整體功耗在200 mA以內;在休眠狀態時，整體功耗在10 mA以內。將LoRa模塊用于野外環境中的水文遙測系統，可以有效保持系統的低功耗，利于運行和維護。

6結 語

本文針對水文遙測站點傳輸方式中存在的線路、信號等問題進行了分析，結合LoRa技術的特點和優勢，分析了將LoRa技術應用到水文遙測站點建設中的應用優勢。將LoRa通信模塊和水文遙測微控制器、多種水情感知要素的采集和傳輸進行結合，提出了軟硬件設計結構，為不同環境下的建站方式、選址、傳感器布設和優化資源配置等提供了一種思路。系統選用YAC9900遙測終端作為載體對LoRa模塊進行集成，對系統的丟包率、功耗進行了測試。同時，系統設計還需要更多實際的驗證，在實際運行中進一步提高暢通率、降低功耗。如果實際測試保證了功耗低、通信距離長、暢通率高等優點，在未來的運用中具有廣泛的前景。

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（編輯：唐湘茜）