摘 要：出于土壤無(wú)線信號(hào)衰減、克服土壤水分變化、精簡(jiǎn)基站布局、災(zāi)害時(shí)應(yīng)急數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化等原因，亟需完成支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。故提出了一種支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地下節(jié)點(diǎn)與可無(wú)人機(jī)背馱的空中節(jié)點(diǎn)組成，布置在土壤內(nèi)部的地下節(jié)點(diǎn)可持續(xù)獲得土壤溫度數(shù)據(jù)，空中節(jié)點(diǎn)根據(jù)無(wú)人機(jī)姿態(tài)啟動(dòng)，用于收集地下節(jié)點(diǎn)已獲得的感知信息。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)硬件結(jié)構(gòu)、工作時(shí)序等進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，使得該系統(tǒng)能夠以較低成本高效實(shí)現(xiàn)地下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集，可為智慧安監(jiān)、應(yīng)急救災(zāi)、智慧農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：地下物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)人機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；LoRa；數(shù)據(jù)收集；土壤溫度數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP29；TN709 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

由于具有傳輸距離較遠(yuǎn)、功耗低、可長(zhǎng)期布設(shè)、不影響地表面作業(yè)、透土傳輸效果好、適于采集土壤內(nèi)部參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，基于LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（Long Range Low Power Wide Area Networks， LoRa LPWAN）的地下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Underground Internet of Thing， UIoT）在智慧農(nóng)業(yè)、智慧安監(jiān)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-6]，但是土壤對(duì)LoRa信號(hào)有較大的衰減作用，尤其是降水或灌溉后土壤中水分較高時(shí)，透地信號(hào)強(qiáng)度會(huì)大幅下降[7-8]。如果為保障土壤含水率較高時(shí)的透地信號(hào)強(qiáng)度，加大地下節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，則會(huì)導(dǎo)致地下節(jié)點(diǎn)能量損耗過(guò)大。在人跡罕至的環(huán)境中，為保障高含水率土壤中地下節(jié)點(diǎn)的連通性，密集布設(shè)地面基站，從而為地下節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，但該方法也會(huì)較大程度增加系統(tǒng)及人工成本，降低可維護(hù)性。此外，在安監(jiān)與應(yīng)急管理等領(lǐng)域，還需考慮自然災(zāi)害造成地面基站破壞后能夠成功采集數(shù)據(jù)的可行性。

若采用無(wú)人機(jī)作為數(shù)據(jù)收集平臺(tái)，不僅有望有效提高LoRa信號(hào)透土傳輸效果，降低地下節(jié)點(diǎn)的能量損耗，精簡(jiǎn)基站布局，也能夠?yàn)榛緭p毀后的應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取提供額外的保障[9-11]。因此開(kāi)發(fā)適用于無(wú)人機(jī)中繼的地下物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較大的必要性與應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由可布設(shè)于土壤當(dāng)中的地下節(jié)點(diǎn)與用于無(wú)人機(jī)中繼的空中節(jié)點(diǎn)組成。地下節(jié)點(diǎn)用于采集土壤內(nèi)部數(shù)據(jù)（如溫度等）。地下節(jié)點(diǎn)采集的感知數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa數(shù)據(jù)通道發(fā)往空中節(jié)點(diǎn)?？罩泄?jié)點(diǎn)通過(guò)背馱固定架固定于無(wú)人機(jī)上，向地下節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制參數(shù)并收集地下節(jié)點(diǎn)發(fā)送的感知數(shù)據(jù)，可在無(wú)人機(jī)返航后通過(guò)有線或透明傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)在工作中需要穩(wěn)定可靠地收集環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的地空通信，而且要盡可能實(shí)現(xiàn)LoRa通信模塊的節(jié)能目標(biāo)，以延長(zhǎng)地下節(jié)點(diǎn)的維護(hù)周期。為了使空中節(jié)點(diǎn)與地下節(jié)點(diǎn)有序工作，二者之間必須維持一個(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)序。當(dāng)?shù)叵鹿?jié)點(diǎn)被布置于土壤內(nèi)部后，節(jié)點(diǎn)需要維持兩個(gè)時(shí)序，一個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序（對(duì)應(yīng)空地通信窗口），一個(gè)是數(shù)據(jù)采集時(shí)序（對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集窗口）。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序中地下節(jié)點(diǎn)以地空數(shù)據(jù)傳輸完成作為每一個(gè)通信窗口結(jié)束的標(biāo)志，并通過(guò)延時(shí)器來(lái)確定下一個(gè)通信窗口的開(kāi)啟時(shí)間。數(shù)據(jù)采集時(shí)序?qū)?yīng)著數(shù)據(jù)采集窗口內(nèi)獲取傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)序，地下節(jié)點(diǎn)依據(jù)該時(shí)序讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)暫存，直到下一次數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)布設(shè)完成并啟動(dòng)后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)序獲取周圍土壤數(shù)據(jù)，并根據(jù)初始延時(shí)開(kāi)啟空地通信窗口。當(dāng)無(wú)人機(jī)起飛并通過(guò)操作員根據(jù)視覺(jué)導(dǎo)標(biāo)到達(dá)地下節(jié)點(diǎn)上空后，操作員通過(guò)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)啟動(dòng)空中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集模式。無(wú)人機(jī)向地下節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，該采集指令中還包含下一次通信窗口開(kāi)啟的延時(shí)設(shè)置。地下節(jié)點(diǎn)將已采集到的帶有節(jié)點(diǎn)編號(hào)的數(shù)據(jù)逐條發(fā)往空中節(jié)點(diǎn)?？罩泄?jié)點(diǎn)正確收到每條數(shù)據(jù)后向地下節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息，地下節(jié)點(diǎn)隨之再發(fā)送下一條數(shù)據(jù)。當(dāng)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，地下節(jié)點(diǎn)發(fā)送完信息。在感知數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并收到確認(rèn)消息后，地下節(jié)點(diǎn)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集窗口，清空已有的感知數(shù)據(jù)，令LoRa通信模塊進(jìn)入低功耗工作模式，并依照數(shù)據(jù)采集時(shí)序持續(xù)采集數(shù)據(jù)。需要注意的是，通常工作中的通信窗口時(shí)間遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)采集窗口時(shí)間。如果空地間通信中斷，地下節(jié)點(diǎn)不會(huì)清空數(shù)據(jù)，將按照預(yù)定的時(shí)序工作至下一個(gè)通信窗口。系統(tǒng)工作時(shí)序如圖2所示。

2 各部分設(shè)計(jì)

2.1 地下節(jié)點(diǎn)

在地下節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)不同土壤水分條件和相同發(fā)射能量下較好的透土傳輸效果，需要集中LoRa信號(hào)能量，還需便于無(wú)人機(jī)接收。在以往相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中，由于采用地面基站，所以地下節(jié)點(diǎn)的天線多使用全向天線。但是類似的設(shè)計(jì)會(huì)使LoRa信號(hào)在土壤當(dāng)中發(fā)生多余的反射與折射，且在無(wú)接收天線的方向上浪費(fèi)能量。在本設(shè)計(jì)中采用平板定向天線，令其主瓣方向與地表垂直。采用平板天線不僅可以令LoRa無(wú)線能量的分布更集中于透土傳輸方向，降低其他方向上的輻射損耗，增強(qiáng)傳輸效果，而且其寬大平緩的主瓣也更便于無(wú)人機(jī)接收地下節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)。在設(shè)計(jì)中采用主瓣寬度約為73°、前后比≥16 dB的麒凡6 dBi增益平板天線。相關(guān)圖片如圖3所示。

地下節(jié)點(diǎn)中的微控制器采用Cortex-M3核心STM32F103ZET6微控制器，節(jié)點(diǎn)LoRa通信模塊選用基于SX1268芯片的E22-400T22S型無(wú)線LoRa模塊。為達(dá)到最佳通信效果，地下節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)頻因子SF取最大值（對(duì)應(yīng)空中速率的最小值）。系統(tǒng)中其他部分的擴(kuò)頻因子也與其取值一致。

地下節(jié)點(diǎn)通過(guò)低功耗探頭式DS18B20溫度傳感器采集周圍土壤溫度數(shù)據(jù)。每條數(shù)據(jù)都有其對(duì)應(yīng)編號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。使用該地下節(jié)點(diǎn)還可通過(guò)本課題組自研的擴(kuò)展板[12]接入更多外部設(shè)備。節(jié)點(diǎn)被置于防水箱內(nèi)，平板天線的主瓣方向與地表垂直。節(jié)點(diǎn)供電采用DC/DC+LDO方案，由12 V/9 A·h鉛酸電池通過(guò)LM2596S與AM1117實(shí)現(xiàn)供電。地下節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。

2.2 空中節(jié)點(diǎn)

空中節(jié)點(diǎn)用于收集地下節(jié)點(diǎn)獲得的感知信息，從成本、操作便捷性、應(yīng)急使用方式、獲得飛行許可等方面考慮，可以將其搭載于微型及小型商用無(wú)人機(jī)上，無(wú)需復(fù)雜的操作邏輯就可進(jìn)入數(shù)據(jù)收集模式。本設(shè)計(jì)中空中節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為可通過(guò)商用背馱卡扣背馱搭載于大疆Marvic 2 pro小型無(wú)人機(jī)外殼上，無(wú)需與無(wú)人機(jī)硬件電路連接即可工作。由于Marvic 2"pro承重有限，所以必須在保證功能的前提下，嚴(yán)格控制空中節(jié)點(diǎn)的重量，但是節(jié)點(diǎn)的背馱卡扣設(shè)計(jì)也可令其搭載于其他負(fù)載能力大于Marvic 2 pro的無(wú)人機(jī)上。搭載于大疆Marvic 2 pro上的空中節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

空中節(jié)點(diǎn)與地下節(jié)點(diǎn)一樣，基于STM32F103ZET6微控制器設(shè)計(jì)，其采用的LoRa通信模塊為E22-400T22D?？罩泄?jié)點(diǎn)供電采用LDO方式，一個(gè)微型充電寶或聚合物鋰電池的5 V直流電壓輸出后經(jīng)TPS73033/AM1117為空中節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定供電?？罩泄?jié)點(diǎn)的外殼采用防水PET圓柱形容器，一個(gè)3 dBi全向膠棒天線被布置于容器正前方，其軸線與無(wú)人機(jī)的軸線重合。

為便于實(shí)現(xiàn)免硬件連接啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮通過(guò)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)啟動(dòng)空中節(jié)點(diǎn)。空中節(jié)點(diǎn)采用MPU6050獲得無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)。無(wú)人機(jī)通過(guò)目視或飛控軟件到達(dá)地下節(jié)點(diǎn)上空時(shí)先懸停，然后在20 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)720°，由此觸發(fā)空中節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)、工作。無(wú)人機(jī)獲得地下節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的感知數(shù)據(jù)后，將其存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)中，待無(wú)人機(jī)飛返后，這些數(shù)據(jù)需要使用USB-UART串行接口或通過(guò)LoRa透?jìng)髦辽衔粰C(jī)?？罩泄?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集工作流程如圖6所示。

無(wú)人機(jī)飛返至操作員處后，空中節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)有線或者無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。通過(guò)GPIO的電平來(lái)設(shè)定空中節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的連接形式，高電平為有線模式，低電平為無(wú)線模式。節(jié)點(diǎn)的輕觸按鍵按下后開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸模式。在有線模式下，空中節(jié)點(diǎn)收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的查詢指令后，將從地下節(jié)點(diǎn)收集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB-UART串口連接線逐條發(fā)往上位機(jī)，發(fā)送完成后發(fā)送確認(rèn)信息。在無(wú)線模式下，空中節(jié)點(diǎn)的LoRa模塊通過(guò)透?jìng)髂Ｊ较蛏衔粰C(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)的發(fā)送需間隔1 s。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，節(jié)點(diǎn)等待上位機(jī)的數(shù)據(jù)清除指令，收到該指令后，清除內(nèi)存空間中的已有數(shù)據(jù)?？罩泄?jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信流程如圖7所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在贛榆區(qū)某園區(qū)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為28天。該處土質(zhì)主體為黃棕壤。實(shí)驗(yàn)中地下節(jié)點(diǎn)被置于土壤耕作層以下、距離地表約45 cm處，節(jié)點(diǎn)的上表面與地表面平行，地下節(jié)點(diǎn)中平板天線的主瓣與地平面垂直。無(wú)人機(jī)操作員通過(guò)地面目視導(dǎo)標(biāo)將無(wú)人機(jī)懸停在地下節(jié)點(diǎn)上方，無(wú)人機(jī)懸停高度為20 m。地下節(jié)點(diǎn)LoRa模塊的發(fā)射功率設(shè)為22 dBm。無(wú)人機(jī)早晚訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)各1次，通信窗口時(shí)長(zhǎng)為15 min，土壤溫度傳感器采集周期為30 min。實(shí)驗(yàn)中使用土壤傳感器及取樣烘干稱重法標(biāo)定地下節(jié)點(diǎn)周圍土壤體積含水率。

土壤含水率高是導(dǎo)致LoRa無(wú)線信號(hào)衰減的最主要原因?？罩泄?jié)點(diǎn)接收到的地下節(jié)點(diǎn)LoRa信號(hào)強(qiáng)度指示值如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤體積含水率較低時(shí)[0，20%），空中節(jié)點(diǎn)接收到的地下節(jié)點(diǎn)LoRa信號(hào)強(qiáng)度指示均值約為-21 dBm；在灌溉及雨后等情況下，土壤含水率較高時(shí)[30%，40%），空中節(jié)點(diǎn)接收到的地下節(jié)點(diǎn)LoRa信號(hào)強(qiáng)度指示均值也能保持在約-57 dBm。上述結(jié)果表明，本系統(tǒng)透地信號(hào)強(qiáng)度良好，可以充分滿足LoRa信號(hào)傳輸?shù)膹?qiáng)度要求。

測(cè)試中，除3次因?yàn)榻邓畯?qiáng)風(fēng)，無(wú)人機(jī)無(wú)法起飛導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集無(wú)法完成外，空中節(jié)點(diǎn)與地下節(jié)點(diǎn)間的通信都能順利完成。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)緩存等功能，該輪數(shù)據(jù)在隨后的飛行輪次中都被順利采集。節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的有線與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能經(jīng)測(cè)試無(wú)中斷等異常情況發(fā)生。在測(cè)試結(jié)束后，取出地下節(jié)點(diǎn)對(duì)鉛酸電池電量進(jìn)行測(cè)量，并分析電量曲線。測(cè)試結(jié)果表明，電池還有約50%的電量，其功耗滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種支持無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的地下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于透土效果良好的LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)，由埋入土壤內(nèi)部的地下節(jié)點(diǎn)與可無(wú)人機(jī)背馱的空中節(jié)點(diǎn)組成。地下節(jié)點(diǎn)可以在土壤內(nèi)部長(zhǎng)期感知周圍土壤溫度信息，其感知到的數(shù)據(jù)由背馱于小型無(wú)人機(jī)上的空中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收集。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)硬件結(jié)構(gòu)、工作時(shí)序等進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以低成本、高有效性地實(shí)現(xiàn)地下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集，可為智慧安監(jiān)、應(yīng)急救災(zāi)、智慧農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。

注：本文通訊作者為楊義。

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作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)雪芬（1979—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

楊 義（1978—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

收稿日期：2024-01-09 修回日期：2024-02-21

基金項(xiàng)目：廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021011035）；秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（201805A016）；河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（3142018055）；河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（3142016020）