基于LoRa的地勘钻孔数据监测系统设计①

巫鹏航，郭来功

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

地下水文环境的研究对我们了解地下水时间、空间分布情况起着重要作用，通过对地下水文环境的监测和分析，能确保对地下水的合理应用，能及时发现工程建设和地下矿产开采过程中存在的潜在危险[1]。随着无线通讯技术的发展，大批设计人员运用无线技术对地下水文信息进行监测。文献[2]提出了一种基于GPRS进行数据传输的方法，此方法在野外受通讯基站分布限制,组网费用高，不利于密集节点采集。文献[3]提出基于ZigBee技术组建传感器网络，此方法通过增加路由节点等的方式增加通讯距离,造成整个系统的能耗增加。如今，物联网技术日新月异，基于物联网技术的监测系统的设计越来越多。针对上述水文环境监测系统出现的组网成本高和采集区域受限的问题，结合LoRa技术的优点，提出一种基于LoRa技术的低功耗采集地下水压和水温的方案，可实现对大范围的待监测区域地下水文环境信息的长时间实时监测。

1 系统结构

系统采用星型网络拓扑结构，可以实现采集终端与汇集终端直接通信，减少网络复杂度和终端功耗。系统整体结构如图1所示，由采集节点，汇集节点，服务器和客户端组成。采集节点定时唤醒并采集数据，然后按照通讯协议通过LoRa和GPRS将数据发送至服务器和客户端，实时监测地下水压和温度的变化。理论上，LoRa的一个汇集节点可以容纳30000个采集节点，实际中，我们并不会用到这么多采集节点。将适量的传感器放置在监测区域的各个地勘钻孔的不同深度，采集水压和温度参数，然后将所采集的数据按各自通信协议上传至服务器，从而形成监测区域的“监测神经”网络系统。

图1 系统整体结构

2 监测节点硬件电路

采集主机的职能是控制传感器采集数据并按通讯协议设置数据格式进行数据传输，且具有现场存储数据和现场显示数据功能。设备的主控芯片是STM32F103RCT6，LoRa使用SX1278芯片。设备包括液晶显示模块、SD卡存储模块、LoRa无线模块、传感器模块和电量检测模块。设备采用待机模式定时唤醒，并设计多路开关电路，精确控制模块供电时间，如液晶屏定时关闭，传感器采集完数据及时断电等，以保证设备野外靠电池就能长时间运行。监测节点结构示意如图2。

图2 监测节点结构示意图

2.1 液晶显示模块

设备上装有一块2.8寸的液晶显示屏，液晶的控制芯片是ILI9341，分辨率为320*240，文字画面显示更细腻。液晶的控制器使用8080接口与MCU通讯，MCU把要显示的数据通过8080接口发送到液晶控制器并存储在内部的显存中，然后显示到液晶面板上。设备带有 “显示”字样机械按键，当按下“显示”按键时，点亮液晶屏并显示当前电池电量、水压和温度信息，定时3秒关闭屏幕。液晶屏的主要作用是现场显示各采集数据值。

2.2 电池电量检测模块

电池剩余电量的多少决定设备还能维持多久的平稳工作。为了评估电池电量，需要对电池状态进行动态监测。电池电量测量使用Linear(凌特)公司生产的LTC2943芯片，该芯片功耗低，测量误差小，测压范围广，测压范围3.6至20V。LTC2943芯片内置ADC，可精确测量电池的电压、电流等信息，通过IIC总线通信协议和MCU进行通信[4]。

2.3 SD卡数据储存模块

SD卡体积小，存储量大，读写速度快，非常适用于嵌入式设备数据存取。设备选择SD卡作为数据备份存储，并植入 FatFs文件，使得数据的存储更加有序和方便。设备处理数据后打包发送，如果遇见无线通讯模块故障，或者遇见环境突变，影响到信号的传送，都会导致数据的丢失。为了不让数据丢失，在设备中增加SD卡部分，用于数据的备份[5]。

2.4 传感器模块

系统采用的传感器有水压传感器和水温传感器，主要用来测量各钻孔不同深度的水压和水温数据。水压传感器工作原理是水压使水膜产生位移从而使电阻值发生变化，然后将信号放大并转为模拟信号输出。水温传感器采用热敏电阻结构，温度的变化使热敏阻值发生变化，通过检测回路电流或电压大小变化来测量温度。

3 LoRa无线通讯

3.1 LoRa无线模块

LoRa技术是美国Semtech公司设计研发，专为解决通讯距离不远，通信功耗较高问题而设计的一款无线通讯技术。在空旷的条件下，LoRa的传输距离可达10千米以上；睡眠模式下的电流达到微安级，特别适用于通讯距离要求足够远，功耗要求特别低的场景。LoRa采用Chirp扩频，这项技术最初用于军事。Chirp脉冲调制技术解决了传统无线网络远距离和低功耗无法兼得的问题[6]。

LoRa模块通过USART串口和MCU进行通讯，通过AT指令可以配置LoRa的组网模式和工作状态。在LoRa无线通讯中，通过调节扩频因子来调节传输距离和传输速率。扩频因子可表示为每比特发送的符号个数，发送符号的持续时间Ts可表示为式(1)：

(1)

通讯速率(DR)和信息带宽(BW)、扩频因子(SF)和编码率(CR)有关，它们之间的关系式如式(2)所示：

(2)

由式(1)和式(2)可知，在带宽不变的情况下，当扩频因子增大，通讯速率越小，通讯传输的时间越长。户外条件下的通讯往往是远距离的通讯，而LoRa正是以牺牲通讯速率换取低功耗和远距离的技术，非常适合传输数据量不大的远距离传输场景[7]。

3.2 数据帧格式

采集节点采集完数据需要和汇集节点通讯，将它们之间的通信数据帧格式设计如表1，目的地址和主机地址分别表示接收设备和发送设备的逻辑地址。

表1 通信数据帧格式

3.3 LoRaWAN网络架构

LoRaWAN协议是基于LoRa技术的一套MAC协议[8]，主要为基于LoRa搭建的网络提供通信协议和系统结构，为LoRa产业提供了构建标准。LoRaWAN协议中，根据不同应用场景划分了三种通讯模式，分别为Class A、Class B和Class C。Class A模式中，终端被唤醒时开启两个接受窗口接受数据，否则处于休眠模式，此模式功耗低，但实时应用差。Class B模式在Class A模式基础上增加更多的接受窗口，设备定时打开接受窗口接受数据。Class C模式下，接受窗口一直打开，实时性好，但功耗高。

如图3所示，LoRaWAN网络系统主要包括四层，分别为LoRa终端、LoRa网关、网络服务和应用服务器。

图3 LoRaWAN网络架构图

(1)LoRa终端：是整个网络系统的底层设备，用于采集和上传传感器数据，或者执行控制任务。

(2)LoRa网关：按照各部分网络之间的通信协议，将数据打包上传至网络服务器或者下发网络服务器的指令。

(3)LoRa服务器：主要用于数据存储、协议解析和为应用层提供服务。

(4)LoRa应用层：将终端数据最直观的展示在用户面前，并可以通过应用向指定终端发送操作命令。

4 监测节点软件流程

监测节点使用的睡眠-唤醒-睡眠的工作流程，设计水压和温度传感器每一小时采集一次数据。监测节点带有SD卡数据备份功能，防止通讯故障不能成功发送数据，造成无数据生成现象。系统设计两种唤醒方式，一种是设备上的机械按键唤醒，此种唤醒方式会点亮设备LCD显示屏，显示当前采集水压、温度和电量信息，方便现场安装测试。第二种是定时唤醒，这种方式是设备长期无人看管自运行的一种方式，流程图如图4。

图4 软件流程图

5 测试结果及分析

5.1 距离和丢包率测试

在5个不同位置分别进行通讯距离和丢包率的测试。每个位置点连续发送500个数据包，测试结果如表2。实验测得数据在2200米处的丢包率仅为3.2%，满足设计需求。

表2 丢包率测试

5.2 功耗估算

设备以1小时采集一次数据，电池采用5 000mAh的锂电池。运行状态电流包括传感器(含变送器)、SD卡读写数据、LoRa模块收发数据等各模块工作电流，因长期野外无人值守，所以不含液晶屏亮屏电流。为方便计算，大致估算每次采集数据到数据发送完成所需时间0.5s,其余时间为待机状态，运行电流平均80mA，待机电流300uA，估算一个周期内的电流Iaver(mA)：

Iaver=(0.5×80+3599.5×0.3)/3600≈0.311

电池70%的容量来估算，可以维持的时间t(h)：

可计算出理想的状态下运行时间约为11 254小时，约469天，这么长时间足以采集足够多的数据。当客户端显示电池剩余电量为10%时，可以通知技术人员跟换电池，拷贝SD卡备份数据，并进行简单的设备维护和设备周围环境清理工作，若任务结束，可以把监测设备带回，实现设备再利用。

6 结 语

系统采用LoRa无线通讯技术，实现地勘钻孔数据的长期采集，并具有现场存储功能。系统采用较低功耗的LoRa无线通讯方式，结合MCU待机模式和可控开关电路设计，网络结构采用星型链路网络，减少了终端设备功耗，克服了野外勘探供电困难和传输距离不足的问题。测试结果表明：系统能准确的传输数据，传输距离可达3公里，采用电池供电可维持一年以上的连续工作时间，满足野外无人值守条件下钻孔信息的自动采集和传输需求，具有广泛的应用前景。