面向山區地質災害監測的LoRa數傳系統研制

吳藝豪，王洪輝，孟令宇，魏超宇，卓天祥，鐘 盼，劉 一

(1. 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059;2. 成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

0 引 言

我國地質與地理環境復雜，是世界上地質災害最嚴重的國家之一。根據相關資料顯示，在2009-2018年間，我國發生地質災害12萬余次，造成450余億的直接經濟損失和8千余人傷亡[1]，嚴重影響了人民的正常生產生活，一定程度上制約了我國的可持續發展。地質災害已成為當前精準扶貧事業中“因災致貧、因災返貧”的潛在風險之一。開展地質災害監測預警研究尤其顯得必要、迫切。

由于地質災害監測區多在山區，地形復雜，有線數據傳輸十分困難，因此，無線傳輸是實現監測數據快速、可靠傳輸的優選方式之一[2]。同時，由于監測現場自然環境惡劣，植被覆蓋多，供電不足、信號不穩等問題也對無線傳輸系統造成了極大的挑戰。對于傳統的單點獨立通信式監測系統，多采用2G/3G/4G以及NB-IoT方式[3-4]，每個監控點獨立進行數據采集并通過運營商網絡進行傳輸，受限于運營商網絡在地形復雜環境下的不穩定情況；SMS通道屬于信令信道，相較數據信道具有更高的優先級，通過其傳輸監測數據具有更優的穩定性。同時，也有采用北斗短報文傳輸的案例[5-6]。然而，以上方法仍存在成本高、數據傳輸量小、耗電量大等問題（如表1所示）。

表1 常見無線通信方式對比

遠距離無線傳輸技術（long range radio,LoRa）與Zigbee作為低功耗廣域網（LPWAN）的代表技術，常用于物聯網設備組網。然而，Zigbee僅能支持百米內的數據傳輸，一般用于室內場景或小規模傳感器網絡[7]。根據測試，LoRa具備更低的功耗和更廣泛的覆蓋范圍，能夠適用于復雜環境下監測數據的傳輸[8-9]。自2015年3月LoRa聯盟成立以來，目前聯盟成員已突破500家，包括芯片生產、傳感器生產、電信運營商等產業鏈[10]。同時，LoRa也在智慧農業、智慧城市等領域有著廣泛的應用[11-15]。然而，針對地質災害監測領域，仍未有成熟應用。因此，本文通過系統設計和現場實驗，測試了LoRa在地質災害監測的數傳部分的適應性及可行性，為復雜山地環境的環境監測數據傳輸提供一種新的可行方案。

1 數傳系統總體設計

數傳系統結構如圖1所示，由匯聚主節點（網關）、采集子節點兩部分組成。系統采用遠距離無線傳輸技術（LoRa）作為通信手段，采用星形拓撲結構，實現匯聚主節點對采集子節點的控制和監測參數的匯聚。

圖1 系統結構

采集子節點主要包括供電系統、傳感器、控制器、調試接口及LoRa通信模塊，主要負責響應匯聚主節點指令采集和傳輸現場監測參數。其中，監測的主要參數包括地表位移、降雨量及傾角，器件選型如表2所示[16]。

匯聚主節點主要包括供電系統、控制器、調試接口、NB-IoT/4G網絡模塊及LoRa通信模塊，以LoRa為通信鏈路，主要負責控制采集子節點，接收各節點數據，實現地質災害現場數據的匯聚、存儲和轉發。借助NB-IoT/4G網絡，將監測數據上傳至預警平臺服務器，實現監測數據的超遠程傳輸。

2 數傳系統硬件設計

2.1 微控制器

控制器用于控制通信模塊并通過采集傳感器采集監測數據。本系統采用片內資源相對豐富、處理能力相對較強的STM32單片機（STM32F103），最高72 MHz的工作頻率以及內部集成的AD模塊、串口及定時器等資源能夠極好地實現相應的功能。

2.2 LoRa模塊

LoRa是低功耗廣域網（LP-WAN）的代表技術之一，其基于線性Chirp擴頻調制解調技術，相較于傳統的FSK及OOK調制方式，具有更廣的有效覆蓋范圍和更高的接收靈敏度[17]。同時，前向糾錯編碼（forward error correction,FEC）的應用極大提高了其信號傳輸的可靠性，AES128加密的加入也為數據傳輸的安全性提供了保障。

主要特征包括：

1）遠距離：接收靈敏度可達–148 dBm。

2）能耗低：接收電流 10 mA，發射電流 120 mA，休眠電流0.2μA。

3）網絡容量大：支持多信道多數據速率的并行處理。

4）成本低：終端芯片1.5～2美元。

本系統采用Semtech公司生產的SX1278無線模塊，其采用特殊的LoRa調制技術，可工作于137～525 MHz頻率范圍。而根據不同的工作頻段，需將接收天線電路連接至如表3所示的相應射頻輸入引腳。根據中國 ISM（industrial scientific medical band）頻段范圍，選擇頻段2作為工作頻段。同時，射頻輸入和射頻輸出通過射頻開關芯片共用天線。其余主要構成部分包括晶振電路、通信接口、數字I/O，其外圍電路原理圖如圖2所示。

表3 射頻輸入引腳分配

圖2 SX1278外圍電路原理圖

2.3 電源模塊

在地質災害監測中，受限于野外環境，傳統的監測設備通常采用太陽能電池板供電，而監測點的位置往往難以保證良好的光照條件。本系統中，匯聚主節點能夠選擇性安裝于光照良好的區域，采用蓄電池與太陽能電池板混合供電，采集子節點則采用大容量鋰電池供電。同時，系統各模塊的供電由單獨的電源管理芯片控制，具體設計參數及電源芯片選型建議如表4所示。

表4 系統各電源模塊設計參數

3 控制程序設計

面向山區的災害監測數傳系統需要滿足一定的實時性，并且在系統空閑時盡可能保持休眠狀態，降低系統功耗，以提高各節點的工作壽命。因此，控制程序采用了時間片輪轉的調度策略，通過云端下發的采集指令或預設的采集周期喚醒相應的采集子節點，實現監測數據的采集與上傳。

3.1 程序模塊劃分

系統單片機控制程序分為匯聚節點控制程序和采集子節點控制程序。其中，采集子節點控制程序劃分為3個模塊，分別是數據采集程序模塊、數據傳輸程序模塊及人機接口程序模塊（圖3（a））；匯聚節點控制程序劃分為兩個模塊，分別是數據傳輸程序模塊及人機接口程序模塊（圖3（b））。其中，人機接口模塊供檢修使用，在正常工作時處于禁用狀態。

圖3 程序模塊劃分

3.2 組網設計

監測系統建立后，系統將建立一對多的星形網絡拓撲。為識別各通信節點，每個通信節點均有SX1278射頻模塊所分配的網絡地址及設備自身的SN號。其中，匯聚主節點的網絡地址為0XFFFF，采集子節點的網絡地址范圍為0X1000-0XF000。在通信過程中，為保障不同類型的采集支點和通信基站的數據傳輸，定義統一的通信數據格式如圖4所示。

圖4 LoRa傳輸格式

該格式為26位字符構成，其中第2位到第14位為設備SN號，第16位到第19位為參數類型，第21位到第25位為采集參數。

SN號碼為13位數字組成，第1位到第3位為保留代碼，第4位到第7位為制造年份，第8位到第9位為傳感器類型代碼（見表5），第10位到第13位為設備編號，如圖5所示。

表5 設備類型

圖5 SN號碼格式示例

系統組網流程圖如圖6所示。系統運行過程中，采集指令由匯聚主節點向采集子節點定時發送以實現監測參數的定時采集。同時，云服務器也可通過4G/NB-IoT下發相應的配置指令修改采集時間等運行參數及下發采集指令獲得實時數據。采集子節點在工作期間將保持休眠狀態，期間以2 s為周期間隔啟動LoRa模塊，偵聽信道狀態。當偵聽到喚醒前導碼后將通過外部中斷喚醒系統，采集相應監測參數之后發送數據至匯聚主節點，匯聚主節點則將相應的監測數據轉發至云服務器，完成記錄與分析。

圖6 組網流程圖

4 系統測試

4.1 測試設備及方法

4.1.1 測試環境

為驗證LoRa在山區復雜環境及密林中的通信效果，系統在四川省某泥石流監測預警站進行了應用測試。監測區域包括兩條泥石流溝道，地形復雜，植被覆蓋茂密。在測試區域共選定2個匯聚主節點位（B101、B102）和7 個采集子節點位（M101～M107），相對位置關系如圖7所示。其中，B102與M107之間相對最大高差為100 m，B101與M103之間非視距離為 816 m，B101與 M103、M104之間有山體阻隔，B102與M105之間存在泥石流攔石壩，M103處有密集的植被覆蓋。

圖7 測試點位相對位置示意圖

4.1.2 測試設備

為測試LoRa的實際通信效果，設計試驗方案為：將采集子節點放置于待測位置，進入測試模式中，其將以30 s為周期向匯聚主節點發送報文，匯聚主節點在收到報文后回復應答報文至采集子節點，采集子節點接收到應答報文后比較兩項報文內容以驗證所傳輸數據的準確性。同時，通過讀取SX1278模塊的內部寄存器，獲得通信過程中的信號強度及SNR數據。本次測試主要為驗證通信效果，未連接相關傳感器。

受限于監測點位的安裝空間，采集子節點使用體積較小的10 dBi天線，匯聚主節點采用體積較大的35 dBi銅棒天線。實驗設備如圖8所示。

圖8 實驗設備

測試時LoRa通信模塊的工作參數如表6所示。

表6 LoRa通信節點配置

4.2 測試數據

4.2.1 通信驗證

數據丟包率及信號強度測試能夠反映LoRa在山區數據傳輸的穩定性與可靠性。通過在所選定的各測試點進行相關測試，取得的測試數據如表7所示。

表7 LoRa信號測試數據

由表7可得，根據不同的環境及距離，各個節點的通信質量不盡相同。參與測試的7個節點中，M105的通信質量弱于其他節點。根據現場情況，M105與B102之間有泥石流攔石壩，對信號有一定的阻礙作用，故而LoRa的數據傳輸能力有所下降。總體上，設備平均丟包率為2%，最大丟包率為4%，能夠滿足地質災害監測數據的傳輸需求。

4.2.2 功耗測試

為評估數傳節點在數據發送以及靜態工作時的功耗，使用優利德UT804型臺式萬用表對處于連續發射狀態和休眠狀態的數傳節點進行了測試。結果表明，在3.6 V供電條件下，LoRa在連續數據發射時的工作電流為138.29 mA，靜態休眠電流 54 μA（2000 ms），靜態偵聽最大電流 8.91 mA（80 ms），平均靜態電流為 0.39 mA。設計電池容量為19000 mAh，可保證其在待機狀態工作2029天。

5 結束語

本文設計了一種基于LoRa的地質災害監測數據傳輸系統，采用SX1278模塊組成了星形網絡拓撲，各采集子節點根據匯聚主節點所設定的監測周期或服務器下發的實時監測指令動態采集監測指標，改善了傳統單點獨立通信的監測節點所面臨的運行成本高、信號覆蓋不穩定，工作電流大等問題，實現了監測數據的低成本傳輸。通過在某泥石流監測現場的實際測試，初步驗證了該數傳系統在山區復雜環境下的通信能力及可靠性，可為地質災害監測數據傳輸提供參考。然而，考慮到災害體所處地質環境的復雜程度不一，今后可增加不同條件下的參數測試數據，以便進一步驗證LoRa數傳系統在山區地質災害監測中的性能。