基于LoRa傳輸的地災監測數采系統設計與研究

劉懿俊

（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。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[1-2]。地災監測具有多種方式，包括無人機、傳感器以及衛星監測等，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[3-4]。

數采系統應用廣泛，針對不同應用需求，可以有針對性的進行設計。對于需求簡單、環境友好的單一應用場景數采系統設計簡單，易于實現，性能穩定。然而，地災監測嚴苛的工作環境導致其對數采系統提出了諸多嚴苛的設計要求：采樣頻率多樣性、數采系統孤立性、系統故障冗余性等[5-6]。Semtech公司發布的基于1 GHz以下的超長距、低功耗新型數據傳輸技術Long Range Radio（LoRa），其接收靈敏度達-148 dBm，可確保網絡連接的可靠性。LoRa技術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[7]。LoRa技術已被廣泛應用于控制系統以及實驗室設備監測等領域的數據采集與監測[8-10]。

本文以LoRa多頻段網關節點為基礎，進行地災監測數采系統設計，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下，實現系統的長時間穩定運行。

1 地災監測數采需求

1.1 采樣頻率多樣性

地災監測系統以一定面積的監測區域為測量單位：每個測量單位內部的不同地點具有不同的監測傳感器，用以監測不同的物理信息；同一傳感器在不同地質環境條件下具有不同的監測方式。不同的傳感器和不同的監測模式要求數采系統具有多種采樣頻率，并可根據環境條件的變化實時改變采樣頻率。

1.2 數采系統孤立性

地災監測系統的監測環境多為無人區，不具備便利的交通條件與通信條件，監測環境導致數采系統孤立，為系統維護、信息通信、能源供應帶來了嚴峻的挑戰。

1.3 系統故障冗余性

地災監測系統具有3～5年的工作周期，監測周期內不具備人工修檢條件；一旦發生地質災害，監測系統必會受到影響。因此數采系統必須具備良好的冗余性，保證在一般故障條件下仍能正常運轉。

2 數采系統設計

2.1 頂層數采架構

地災監測數采系統需要在廣闊的采集區域中對大量監測點進行信號采集。大量的數據采集工作僅由一個上位機進行監控具有較大的難度，同時，信息擁堵對傳輸效率的影響將大大增加。為實現對監測數據進行高度同步的實時采集，需建立多層級數采處理架構，數采架構為服務器-局域網關-節點-傳感器。網關節點通信設計如圖1所示。

圖1 網關節點通信設計

（1）服務器一級數采總機；

（2）服務器下設N（N＞2）個局域網關；

（3）每個局域網關同時負責M（M≥30）個節點的控制與數據傳輸工作；

（4）每個節點負責P（P≥4）個傳感器（監測點）的供電控制與數據采集等工作。

在常態工作（非地災狀態）下，節點首先對傳感器數據進行采集與預處理，以低傳輸數據率向局域網關傳送數據。局域網關對下屬所有節點數據同樣以低數據傳輸速率向總機傳送數據。服務器總機面向N個局域網關進行數據采集并存儲記錄，此時總服務器與各局域網關僅消耗了較小的通信帶寬就實現了對監測環境的低頻全局監測。

在警戒工作（局部地災狀態）下，當局部地區發生明顯地災變化時，節點對數據進行本地處理與分析。節點判斷異常地質狀態后進行實時高速率數據傳輸，局域網關以相同速率輸送數據。服務器和局域網關的部分帶寬用于其他節點的常態監測，部分帶寬用于非常態節點的數據監測，實現對局部地區的高頻實時監測。

在額定工況（全局地災狀態）下，當所有地區發生明顯地災變化時，那么所有節點將進行全速率數據輸送。由于局域網關與服務器帶寬有限，所有數據需降速傳輸，系統可以實現全局中頻實時監測。

不同工作狀態下各節點數據傳輸率見表1所列。

表1 不同工作狀態下各節點數據傳輸率

2.2 LoRa多頻傳輸設計

通過數采架構設計可知，系統會同時存在常態低頻監測、局部高頻監測、全局中頻監測等三種監測模式。

多頻段設計的重點在于防止信號之間的干擾以及數據傳輸造成的擁堵，根據地災監測需求，設計LoRa雙頻數據傳輸系統，包括高速、中速和低速頻段，3種頻段的數采頻率分別為0.2 s/次、2 s/次和200 s/次。LoRa多頻段設計可以靈活地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，有效避免信號傳輸的擁堵，保證數據傳輸的高效穩定。

采樣速率可通過上位機進行人工主動控制，實現某一節點的主動實時監測；也可通過節點對監測場景進行判斷，通過自動控制算法實時改變。

（1）監測的單位窗口時間內地質運動頻繁，節點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時，節點自主調整為低速頻段。

（2）局域網關在帶寬允許的條件下，向服務器進行高速數據傳輸。下設節點高速傳輸較多時，對節點傳輸數據進行間隔采集，使數據降速傳輸至服務器，避免數據擁堵。

LoRa多頻監測控制與設計如圖2所示。

圖2 LoRa多頻監測控制與設計

2.3 故障監測與診斷

地災監測系統需通過傳感器信號的變化對環境的變化進行實時監測與判斷。但傳感器信號發生變化，不僅僅是由于地災變化導致。傳感器出現信號突變的主要情況如下：

（1）正常模式：傳感器監測信號突變，正常監測到地災變化，交送數據于上層節點；

（2）故障模式：無外力干擾情況下，傳感器發生故障，信號突變或無信號；

（3）損壞模式：無外力干擾情況下，傳感器硬件損壞，信號突變或無信號；

（4）破壞模式：地災變化，外力導致傳感器發生故障，信號突變或無信號；

（5）斷網模式：節點或局域網故障，數據傳輸失敗。

在模式（2）和模式（5）情況下，可以通過故障診斷算法或重啟進行恢復；在模式（3）和模式（4）情況下，由于傳感器硬件損壞，因此無法進行系統自我恢復。故上層服務器接收到故障信號后，需通過進一步的監測與控制，判斷傳感器提供的突變信號的實際信息與意義，以便監測系統正確響應。故障監測與診斷流程如圖3所示。

圖3 故障監測與診斷流程

（1）接收到1個傳感器的突變信號后，等待延時，判斷是否有其他傳感器存在信號突變；

（2）未接收到第二個突變信號，判斷監測環境未發生地災變化，則啟動故障診斷子程序-A。

（3）接收到第二個突變信號后，判斷監測環境發生地災變化，節點及上層局域網開啟高頻采集模式，同時啟動故障診斷子程序-B。

故障判斷子程序-A重啟傳感器后，重新進行數據抓取，若數據仍未回復，則判斷傳感器硬件故障；若數據回復，則判斷傳感器軟件故障。故障判斷子程序-B監測傳感器信號是否實時變化，無變化則判斷為受外界地災環境影響導致傳感器硬件損壞，發出故障信號。

3 系統設計與實驗

圖4所示為LoRa節點控制盒內部電路，所設計節點能夠作為一個單節點網關正常工作，具備4G模塊和GPS擴展能力。節點模塊同時負責所監測區域的三軸傾角傳感器、三軸振動傳感器、溫度傳感器，確保所有傳感器的電源正常供電，數據采集工作正常開展。

圖4 節點控制電路

3.1 TCP連接壓力實驗

所有網關同時通過TCP向服務器發送數據，測試數據通信能力與承壓能力。通過TCP心跳模式定時發送小數據包，每5 s發送1次確認信號，檢測TCP連接是否正常，并驗證數據傳輸故障的回復能力。進行3次長時不間斷通信實驗，壓力測試結果見表2所列。

表2 壓力測試結果

（1）一次實驗不進行其他操作，僅進行144 h的不間斷通信測試，發現系統未出現故障。

（2）二次實驗，進行24 h不間斷測試，人為干預通信模塊信號強度、電力供應（降低信號強度與電力供應）。通信對應出現4次故障，通過故障診斷與控制，系統重啟并正常運行4次。

（3）三次實驗，進行24 h不間斷測試，人為改變IP地址2次，通過故障診斷與控制，系統重啟并正常運行2次。

通過測試，TCP連接與傳輸在硬件未完全失效的條件下，系統可以長時間正常運行，并在一般故障條件下可自動重啟恢復通信。

3.2 數據讀取實驗

數據采集程序會對每一個位置的傳感器進行連續5次讀數，3次以上讀數正常時，才會返回讀取值，否則系統報錯重啟。數據讀取實驗見表3所列。

表3 數據讀取實驗

對數據讀取進行壓力測試。一次、二次實驗分別進行低頻段、中頻段數據傳輸測試，無外界干擾條件下，系統正常進行數采工作。三次實驗進行高頻段采集，并人為短時間切斷傳感器數據傳輸，系統數采出現錯誤，未能正確讀數，系統自動重啟后重新開始數采工作。因此，在無外界影響硬件系統的條件下，數采系統可以進行高質量的數據傳輸。

3.3 GPS通信實驗

實驗中對GPS信號進行采集，對數采系統的定位可行性進行實驗驗證。實驗中，北斗衛星搜索信號更強，衛星數量更多，定位性能明顯優于GPS系統。因此在數采系統運行時，優先采用北斗系統，GPS系統作為備份。實驗接收衛星信號平均值見表4所列。

表4 實驗接收衛星信號平均值

（1）第一次實驗未對系統進行任何人工干預，系統正常工作，無信號中斷情況。

（2）第二次實驗對系統降壓供電，系統CPU雖然能夠正常工作，但GPS芯片由于電壓不足而停止工作，發生一次中斷。系統重啟后正常運行。

（3）人為彎折GPS信號接收線，信號中斷。

由此可知，數采系統在無外界干擾影響系統硬件時，可以實現對GPS信號的長時穩定收發。天線與GPS模塊之間的饋線不能出現彎折，GPS模塊必須固定，避免天線故障對監測系統造成影響。

3.4 LoRa網關與節點協同壓力測試

在開闊地帶對LoRa網關與節點進行協同壓力測試，所有節點進行高頻數據發送，測試單網關系統與多網關系統下，服務器接收數據的情況。

（1）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%，并能穩定重傳。

（2）在同一地點，現場架設60個節點和3個網關，測試距離保證在3 km以上：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，丟包率小于2%。

（3）在以上系統壓力測試中，對任意一組網關、節點進行掉電操作，30 min后重新上電，系統均可恢復正常。在所有調試與實驗中，節點模組休眠電流均小于2 μA。

網關節點協同壓力調試見表5所列。

表5 網關節點協同壓力調試

5 結 語

通過測試，TCP連接與傳輸、數據傳輸工作、GPS信號收發工作在硬件未完全失效的條件下，系統可以長時間正常運行，并在一般故障條件下可自動重啟恢復通信。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。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，所有數據均能穩定到達服務器。實驗中，網關能夠穩定檢測傳送數據是否出錯，并通知節點重傳。該設計經濟、高效、穩定，高度集成了北斗定位等多種輔助功能，適用于大規模的地災監測。