基于衛星物聯網的海島生態環境監測系統

摘 要：針對無人居住且供電、通信受限的海島生態環境監測需求，設計了一種基于衛星物聯網的海島生態環境監測系統。系統通過LoRa傳感器節點對環境參數進行采集，融合網關接收傳感器節點的感知數據后進行邊緣計算處理。處理后的數據經衛星中繼后傳輸至云端監測系統為用戶提供服務。文中就傳感器節點的設計、融合網關的硬件及軟件設計進行重點研究，希望為諸如海洋、沙漠等物聯網無法部署地區的環境監測及衛星物聯網應用提供參考。

關鍵詞：海島生態環境監測；衛星物聯網；LoRa傳感器節點；云端監測系統；融合網關；邊緣計算

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

我國是一個海陸兼備的大國，海島作為重要的自然資源，是海洋經濟發展的重要依托，是構建海洋生態文明的藍色屏障[1]。海島遠離大陸，受海風、海浪等影響，生態系統結構簡單而脆弱，極易遭到破壞[2]。隨著藍色經濟的不斷推進，加強海島生態環境保護變得日益重要。利用物聯網技術構建生態環境監測系統對海島生態環境進行實時監測，掌握生態狀況、發展變化趨勢等可以為生態環境保護管理提供依據，促進海洋藍色經濟健康發展[3-4]。

然而，對于位置偏僻、遠離本土、交通不便的島礁，人員無法長期駐留，供電和通信受到限制，現有基于有線網絡、5G通信等地面網絡的物聯網環境監測系統難以發揮作用[5-6]。相比地面網絡，天基衛星網絡具有高、遠和廣域覆蓋等突出特點，對諸如海洋、沙漠等地面網絡無法服務的地區有明顯優勢。衛星物聯網作為地面物聯網的延伸和補充，可以有效解決地面物聯網部署受限的問題[7]。

國外對衛星物聯網的研究相對較早。軌道通信（Orbcomm）、高級研究與全球觀測衛星（ARGOS）和國際海事衛星（Inmarsat）是提供衛星物聯網服務的典型代表。此外，Telesat、OneWeb、SpaceX等航天巨頭正在加速推進其低軌星座的建設，以支持未來衛星物聯網服務[8]。國內也對衛星物聯網展開了持續研究。2020年，國家發展和改革委員會明確的新基建“信息基礎設施”中就包括以衛星物聯網為代表的通信網絡基礎設施[9]。天通一號、北斗系統均可提供衛星物聯網服務。鴻雁、虹云等低軌星座計劃相繼發布，首個“天基物聯網”被命名為“行云工程”，計劃由80顆低軌衛星組成[10]。此外，多家民營企業也相繼開展了低軌衛星星座的計劃，如九天微星的“瓢蟲系列”、北京國電高科的“天啟物聯網”等[11]。

國內衛星物聯網的發展還處于初期建設階段，對衛星物聯網的研究大多還處于理論框架階段。本文針對無人居住、供電和通信受限的海島生態環境監測需求，研究了一種基于衛星物聯網的海島生態環境監測系統，為無人居住的海島或海洋生態環境監測的發展提供一種參考方案。

1 系統總體設計

針對無人居住、供電和通信受限的海島環境監測需求，本文設計了如圖1所示的海島生態環境監測系統框架。

在海島部署多個傳感器節點對水質（溶解氧、濁度、pH值等）、水文（流速、流向、潮位等）、氣象（溫度、濕度、風速、風向等）等信息進行采集，傳感器節點采用LoRa傳輸機制，將采集的信息傳輸至融合網關。融合網關接收采集的數據后，可根據業務需要對采集的數據進行預處理，再將處理后的數據發送給衛星網絡，經過衛星網絡中繼最終將數據傳輸至云端服務器為用戶提供業務服務。

在該系統中，通過網關形成了星地融合的物聯網結構，一方面，網關與傳感器節點構成星型結構的地面區域網絡，網關對傳感器節點進行配置并接收傳感器采集的數據；另一方面，網關與衛星形成天基網絡，將地面采集的數據通過衛星中繼傳輸給云端服務器。

2 傳感器節點設計

傳感器節點的主要功能是采集各類環境信息參數及自身電源電壓，并將采集的數據發送給網關，其硬件部分由低功耗處理器、傳感器模塊、LoRa終端模塊、電池模塊組成，其硬件結構如圖2所示。

在海島環境供電受限的情況下，傳感器節點采用鋰電池組供電，而能量的消耗決定了其工作時間。為使傳感器節點盡可能長時間地工作，對傳感器節點中能耗最大的2個模塊—處理器和LoRa終端模塊進行低功耗設計。處理器模塊選用ST公司出品的超低功耗微控制器STM32L051作為傳感器節點的控制單元（MCU），采用空閑時間睡眠、工作時間喚醒的工作模式。LoRa終端模塊在發送數據時功耗最大，為兼顧數據傳輸與低功耗的需要，利用ADR（Adaptive Data Rate）技術在傳輸速率和功耗之間進行優化，從而降低傳感器節點功耗。

3 融合網關設計

3.1 硬件設計

融合網關是該海島生態環境監測系統結構中地面網絡和衛星網絡融合的關鍵節點，其硬件部分主要由樹莓派嵌入式單板計算機、LoRa網關模塊、衛星通信模塊、電源模塊組成，如圖3所示。

樹莓派4B型號嵌入式單板計算機為網關的核心處理單元，主要完成LoRaWAN網絡管理、傳感器感知數據處理、協議轉換、邊緣計算等任務。樹莓派4B單板計算機基于64位ARM Cortex-A72 1.5 GHz（四核）處理器，支持人工智能等，擁有GPIO、USB、串口、網口等豐富的接口資源，被廣泛應用于對體積、功耗要求嚴格的應用場景。

LoRa網關模塊采用Semtech公司出品的SX1301 LoRaWAN無線通信專用網關模塊，不僅可以實現對傳感器節點的管理，還可接收傳感器節點采集的數據。

衛星通信模塊采用北京國電高科公司出品的“天啟物聯網”衛星終端模塊，可將數據向衛星發送，并最終傳輸至云平臺。

電源模塊實現了對網關的供電管理，其主要由管理單元、太陽能電池、鋰電池等組成。正常情況下，優先使用太陽能電池為網關供電，并為鋰電池組充電；當太陽能供電不足時，由鋰電池組為網關供電。

3.2 軟件設計

網關基于樹莓派單板計算機搭建Linux操作系統，利用容器虛擬化技術構建層次化軟件結構，實現了LoRaWAN網絡管理、感知數據接收、邊緣計算、衛星通信等功能，其軟件結構如圖4所示。

數據接入層支持多種硬件接口，對LoRaWAN傳輸協議做定制化開發，實現感知數據的實時接收。

虛擬化層依托容器技術將各種功能服務打包成鏡像文件，實現彼此隔離，以提高網關整體的資源利用率與兼容性。

邊緣計算層實現各容器鏡像的管理及相關功能服務。LoRaWAN服務器模塊實現了傳統云端LoRaWAN服務器的功能，在本地對LoRa節點進行組網配置、感知數據匯聚等。傳感器數據處理模塊根據業務需要實現感知數據處理功能（數據融合、深度學習等），為應用業務提供邊緣計算服務，可降低數據的遠程傳輸壓力。衛星通信服務模塊按照協議要求對邊緣計算處理后的感知數據進行格式轉換，通過衛星網絡最終發送給云端服務器。

4 云端監測系統設計

傳感器采集的水質、水文、氣象等環境信息最終經衛星運營商傳輸至云端服務器，為方便用戶對監測數據的儲存、應用、分析、管理等，本系統搭建了基于Web的云端監測系統，實現了海洋環境的遠程監測、實時分析、可視化展示等功能，系統界面如圖5所示。用戶登錄Web界面后，可以實時查看傳感器采集的各類環境信息、查閱各傳感器節點的狀態參數等。

5 結 語

針對無人居住、供電和通信受限的海島生態環境監測需求，本文設計了一種基于衛星物聯網的海島生態環境監測系統。該環境監測系統可以實現對無人居住海島的水質、水文、氣象等環境參數的自主采集，感知數據由融合網關計算處理后經衛星中繼傳輸至云端監測系統為用戶提供服務。本文提出的海島生態環境監測系統可以為諸如海洋、沙漠等物聯網無法部署地區的環境監測問題提供解決方案，對衛星物聯網作為新基建技術的產業發展、應用落地起到積極推動作用。

參考文獻

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