巫鵬航，郭來功

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

地下水文環(huán)境的研究對我們了解地下水時(shí)間、空間分布情況起著重要作用，通過對地下水文環(huán)境的監(jiān)測和分析，能確保對地下水的合理應(yīng)用，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程建設(shè)和地下礦產(chǎn)開采過程中存在的潛在危險(xiǎn)[1]。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，大批設(shè)計(jì)人員運(yùn)用無線技術(shù)對地下水文信息進(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，此方法在野外受通訊基站分布限?組網(wǎng)費(fèi)用高，不利于密集節(jié)點(diǎn)采集。文獻(xiàn)[3]提出基于ZigBee技術(shù)組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，此方法通過增加路由節(jié)點(diǎn)等的方式增加通訊距離,造成整個(gè)系統(tǒng)的能耗增加。如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越多。針對上述水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的組網(wǎng)成本高和采集區(qū)域受限的問題，結(jié)合LoRa技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于LoRa技術(shù)的低功耗采集地下水壓和水溫的方案，可實(shí)現(xiàn)對大范圍的待監(jiān)測區(qū)域地下水文環(huán)境信息的長時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)采集終端與匯集終端直接通信，減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和終端功耗。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由采集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器和客戶端組成。采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒并采集數(shù)據(jù)，然后按照通訊協(xié)議通過LoRa和GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器和客戶端，實(shí)時(shí)監(jiān)測地下水壓和溫度的變化。理論上，LoRa的一個(gè)匯集節(jié)點(diǎn)可以容納30000個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)際中，我們并不會用到這么多采集節(jié)點(diǎn)。將適量的傳感器放置在監(jiān)測區(qū)域的各個(gè)地勘鉆孔的不同深度，采集水壓和溫度參數(shù)，然后將所采集的數(shù)據(jù)按各自通信協(xié)議上傳至服務(wù)器，從而形成監(jiān)測區(qū)域的“監(jiān)測神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件電路

采集主機(jī)的職能是控制傳感器采集數(shù)據(jù)并按通訊協(xié)議設(shè)置數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且具有現(xiàn)場存儲數(shù)據(jù)和現(xiàn)場顯示數(shù)據(jù)功能。設(shè)備的主控芯片是STM32F103RCT6，LoRa使用SX1278芯片。設(shè)備包括液晶顯示模塊、SD卡存儲模塊、LoRa無線模塊、傳感器模塊和電量檢測模塊。設(shè)備采用待機(jī)模式定時(shí)喚醒，并設(shè)計(jì)多路開關(guān)電路，精確控制模塊供電時(shí)間，如液晶屏定時(shí)關(guān)閉，傳感器采集完數(shù)據(jù)及時(shí)斷電等，以保證設(shè)備野外靠電池就能長時(shí)間運(yùn)行。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意如圖2。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 液晶顯示模塊

設(shè)備上裝有一塊2.8寸的液晶顯示屏，液晶的控制芯片是ILI9341，分辨率為320*240，文字畫面顯示更細(xì)膩。液晶的控制器使用8080接口與MCU通訊，MCU把要顯示的數(shù)據(jù)通過8080接口發(fā)送到液晶控制器并存儲在內(nèi)部的顯存中，然后顯示到液晶面板上。設(shè)備帶有 “顯示”字樣機(jī)械按鍵，當(dāng)按下“顯示”按鍵時(shí)，點(diǎn)亮液晶屏并顯示當(dāng)前電池電量、水壓和溫度信息，定時(shí)3秒關(guān)閉屏幕。液晶屏的主要作用是現(xiàn)場顯示各采集數(shù)據(jù)值。

2.2 電池電量檢測模塊

電池剩余電量的多少決定設(shè)備還能維持多久的平穩(wěn)工作。為了評估電池電量，需要對電池狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。電池電量測量使用Linear(凌特)公司生產(chǎn)的LTC2943芯片，該芯片功耗低，測量誤差小，測壓范圍廣，測壓范圍3.6至20V。LTC2943芯片內(nèi)置ADC，可精確測量電池的電壓、電流等信息，通過IIC總線通信協(xié)議和MCU進(jìn)行通信[4]。

2.3 SD卡數(shù)據(jù)儲存模塊

SD卡體積小，存儲量大，讀寫速度快，非常適用于嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)存取。設(shè)備選擇SD卡作為數(shù)據(jù)備份存儲，并植入 FatFs文件，使得數(shù)據(jù)的存儲更加有序和方便。設(shè)備處理數(shù)據(jù)后打包發(fā)送，如果遇見無線通訊模塊故障，或者遇見環(huán)境突變，影響到信號的傳送，都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。為了不讓數(shù)據(jù)丟失，在設(shè)備中增加SD卡部分，用于數(shù)據(jù)的備份[5]。

2.4 傳感器模塊

系統(tǒng)采用的傳感器有水壓傳感器和水溫傳感器，主要用來測量各鉆孔不同深度的水壓和水溫?cái)?shù)據(jù)。水壓傳感器工作原理是水壓使水膜產(chǎn)生位移從而使電阻值發(fā)生變化，然后將信號放大并轉(zhuǎn)為模擬信號輸出。水溫傳感器采用熱敏電阻結(jié)構(gòu)，溫度的變化使熱敏阻值發(fā)生變化，通過檢測回路電流或電壓大小變化來測量溫度。

3 LoRa無線通訊

3.1 LoRa無線模塊

LoRa技術(shù)是美國Semtech公司設(shè)計(jì)研發(fā)，專為解決通訊距離不遠(yuǎn)，通信功耗較高問題而設(shè)計(jì)的一款無線通訊技術(shù)。在空曠的條件下，LoRa的傳輸距離可達(dá)10千米以上；睡眠模式下的電流達(dá)到微安級，特別適用于通訊距離要求足夠遠(yuǎn)，功耗要求特別低的場景。LoRa采用Chirp擴(kuò)頻，這項(xiàng)技術(shù)最初用于軍事。Chirp脈沖調(diào)制技術(shù)解決了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離和低功耗無法兼得的問題[6]。

LoRa模塊通過USART串口和MCU進(jìn)行通訊，通過AT指令可以配置LoRa的組網(wǎng)模式和工作狀態(tài)。在LoRa無線通訊中，通過調(diào)節(jié)擴(kuò)頻因子來調(diào)節(jié)傳輸距離和傳輸速率。擴(kuò)頻因子可表示為每比特發(fā)送的符號個(gè)數(shù)，發(fā)送符號的持續(xù)時(shí)間Ts可表示為式(1)：

(1)

通訊速率(DR)和信息帶寬(BW)、擴(kuò)頻因子(SF)和編碼率(CR)有關(guān)，它們之間的關(guān)系式如式(2)所示：

(2)

由式(1)和式(2)可知，在帶寬不變的情況下，當(dāng)擴(kuò)頻因子增大，通訊速率越小，通訊傳輸?shù)臅r(shí)間越長。戶外條件下的通訊往往是遠(yuǎn)距離的通訊，而LoRa正是以犧牲通訊速率換取低功耗和遠(yuǎn)距離的技術(shù)，非常適合傳輸數(shù)據(jù)量不大的遠(yuǎn)距離傳輸場景[7]。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

采集節(jié)點(diǎn)采集完數(shù)據(jù)需要和匯集節(jié)點(diǎn)通訊，將它們之間的通信數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)如表1，目的地址和主機(jī)地址分別表示接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備的邏輯地址。

表1 通信數(shù)據(jù)幀格式

3.3 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRaWAN協(xié)議是基于LoRa技術(shù)的一套MAC協(xié)議[8]，主要為基于LoRa搭建的網(wǎng)絡(luò)提供通信協(xié)議和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為LoRa產(chǎn)業(yè)提供了構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)。LoRaWAN協(xié)議中，根據(jù)不同應(yīng)用場景劃分了三種通訊模式，分別為Class A、Class B和Class C。Class A模式中，終端被喚醒時(shí)開啟兩個(gè)接受窗口接受數(shù)據(jù)，否則處于休眠模式，此模式功耗低，但實(shí)時(shí)應(yīng)用差。Class B模式在Class A模式基礎(chǔ)上增加更多的接受窗口，設(shè)備定時(shí)打開接受窗口接受數(shù)據(jù)。Class C模式下，接受窗口一直打開，實(shí)時(shí)性好，但功耗高。

如圖3所示，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括四層，分別為LoRa終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)器。

圖3 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

(1)LoRa終端：是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層設(shè)備，用于采集和上傳傳感器數(shù)據(jù)，或者執(zhí)行控制任務(wù)。

(2)LoRa網(wǎng)關(guān)：按照各部分網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者下發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的指令。

(3)LoRa服務(wù)器：主要用于數(shù)據(jù)存儲、協(xié)議解析和為應(yīng)用層提供服務(wù)。

(4)LoRa應(yīng)用層：將終端數(shù)據(jù)最直觀的展示在用戶面前，并可以通過應(yīng)用向指定終端發(fā)送操作命令。

4 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件流程

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)使用的睡眠-喚醒-睡眠的工作流程，設(shè)計(jì)水壓和溫度傳感器每一小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)帶有SD卡數(shù)據(jù)備份功能，防止通訊故障不能成功發(fā)送數(shù)據(jù)，造成無數(shù)據(jù)生成現(xiàn)象。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種喚醒方式，一種是設(shè)備上的機(jī)械按鍵喚醒，此種喚醒方式會點(diǎn)亮設(shè)備LCD顯示屏，顯示當(dāng)前采集水壓、溫度和電量信息，方便現(xiàn)場安裝測試。第二種是定時(shí)喚醒，這種方式是設(shè)備長期無人看管自運(yùn)行的一種方式，流程圖如圖4。

圖4 軟件流程圖

5 測試結(jié)果及分析

5.1 距離和丟包率測試

在5個(gè)不同位置分別進(jìn)行通訊距離和丟包率的測試。每個(gè)位置點(diǎn)連續(xù)發(fā)送500個(gè)數(shù)據(jù)包，測試結(jié)果如表2。實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)在2200米處的丟包率僅為3.2%，滿足設(shè)計(jì)需求。

表2 丟包率測試

5.2 功耗估算

設(shè)備以1小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，電池采用5 000mAh的鋰電池。運(yùn)行狀態(tài)電流包括傳感器(含變送器)、SD卡讀寫數(shù)據(jù)、LoRa模塊收發(fā)數(shù)據(jù)等各模塊工作電流，因長期野外無人值守，所以不含液晶屏亮屏電流。為方便計(jì)算，大致估算每次采集數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)發(fā)送完成所需時(shí)間0.5s,其余時(shí)間為待機(jī)狀態(tài)，運(yùn)行電流平均80mA，待機(jī)電流300uA，估算一個(gè)周期內(nèi)的電流Iaver(mA)：

Iaver=(0.5×80+3599.5×0.3)/3600≈0.311

電池70%的容量來估算，可以維持的時(shí)間t(h)：

可計(jì)算出理想的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)間約為11 254小時(shí)，約469天，這么長時(shí)間足以采集足夠多的數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端顯示電池剩余電量為10%時(shí)，可以通知技術(shù)人員跟換電池，拷貝SD卡備份數(shù)據(jù)，并進(jìn)行簡單的設(shè)備維護(hù)和設(shè)備周圍環(huán)境清理工作，若任務(wù)結(jié)束，可以把監(jiān)測設(shè)備帶回，實(shí)現(xiàn)設(shè)備再利用。

6 結(jié) 語

系統(tǒng)采用LoRa無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地勘鉆孔數(shù)據(jù)的長期采集，并具有現(xiàn)場存儲功能。系統(tǒng)采用較低功耗的LoRa無線通訊方式，結(jié)合MCU待機(jī)模式和可控開關(guān)電路設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星型鏈路網(wǎng)絡(luò)，減少了終端設(shè)備功耗，克服了野外勘探供電困難和傳輸距離不足的問題。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)能準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)，傳輸距離可達(dá)3公里，采用電池供電可維持一年以上的連續(xù)工作時(shí)間，滿足野外無人值守條件下鉆孔信息的自動采集和傳輸需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。