基于LoRa双频段网关节点的数据采集系统设计

刘懿俊，梁 军，张 强

（深圳市地质局，广东 深圳 518023）

0 引 言

我国地质环境复杂，地质活动频繁，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，受其影响和威胁的人口众多[1]。为最大限度保障人民群众生命财产安全，提供完善的地质灾害监测（地灾监测）预警系统至关重要。地灾监测系统中，需要传感器对地质状态进行实时监测，数据采集（DAQ）系统对传感器测量信息进行采集与回传，通过数据实时分析及时发现地质状态的异常变化，实现地灾监测[2]。地质监测具有多种方式，包括无人机[3]、传感器以及卫星监测等[4]。其中传感器数据采集系统具有全时监测、低成本以及高效传输等优势。

DAQ系统应用广泛，针对不同应用需求，可以有针对性的设计相应DAQ系统[5-6]。对于需求简单、环境友好的单一应用场景，DAQ系统设计易于实现，并具有极为稳定的性能。然而，地灾监测系统安装地点环境复杂，其对DAQ系统要求较高，如超长距离传输、低功耗运行、多频段运行等，因此系统的设计难度较大。

2013年8月，Semtech公司发布了基于1 GHz以下的超长距、低功耗新型数据传输技术Long Range Radio（LoRa），其接收灵敏度可达-148 dBm，确保了网络连接的可靠性。LoRa网络主要由内置LoRa模块终端、基站和服务器等组成，应用数据可双向传输[7]。LoRa在极大改善数据接收灵敏度的同时，降低了功耗。其支持多信道多数据并行处理，系统容量大，支持测距和定位。LoRa技术已经被广泛应用于海上救援系统[8]、地下矿井监测[9]以及实验室设备监测[10]等领域的数据采集与监测。

本文以LoRa双频段网关节点为基础进行地灾监测的高集成度DAQ系统设计，在满足地灾监测严苛的环境要求以及复杂的数据采集需求的同时，实现系统的长时间稳定运行。

1 地灾监测DAQ系统设计

应用于地灾监测的高集成度DAQ系统主要包括三大设计难点。

（1）系统需具有多频段采样能力：在地质活动稳定期，地灾监测采用常规采样频率，采样频率较低；地质活动活跃期，采用应急监测采样频率，采样频率较高。两种监测状态可同时运行，且系统可根据地质活动状态随时进行不同监测状态的切换。

（2）地灾监测点不存在运营商信号，且监测点间距离较远，复杂的地质结构会对信号传输造成严重干扰，因此组建稳定的局域网对数据进行集中回传至关重要。

（3）地灾监测数据采样周期长，一般3～5年为一个周期，且绝大部分监测点不具备市电供电能力，设备能耗的良好设计至关重要。

针对地灾监测需求，提出基于LoRa双频段网关节点的DAQ系统设计方案。如图1所示，系统以LoRa技术传输的网关和节点为主体，局域网关负责N（N≥30）个节点的控制与数据传输工作，每个节点负责M（M≥4）个传感器（监测点）的供电控制与数据采集等工作。上层服务器通过已有的数据传输协议与网关进行数据交换。局域网关与节点的良好设计可以很好地解决监测点数据传输问题，采用LoRa传输技术可保证节点与网关之间长距离、多频段的数据采样与传输，自主电力系统可以实现节点与传感器的长时间稳定工作。

图1 LoRa双频段网关节点设计

此外，系统还集成有其他辅助模块，包括报警系统、离线机制、蓝牙与无线网、北斗卫星定位通信系统等。系统的封装与安装调试等设计也考虑了现场组网的复杂组装环境以及恶劣的气候。

2 LoRa双频段网关与节点设计

地灾监测的DAQ系统中存在不同节点同时监测不同项目、不同监测点具有不同采样频率需求、常规监测和应急监测并行以及供电要求不一致等问题。为解决以上问题，需引入多种频段进行数据传输，同时保证数据无丢失、信道不拥堵、系统运行稳定。

2.1 LoRa双频传输设计

多频段设计重点在于防止信号之间的干扰以及数据传输拥堵，根据地灾监测需求设计的LoRa双频数据传输系统主要包括高速频段和低速频段，如图2所示。高速频段应用于应急地灾监测的高频数据采集，数据采样频率为5～10 s/次；低速频段用于常规地质灾害监测，数据采样频率为10～30 min/次。采样速率可根据远程服务器、系统内编程等进行实时切换。同时，系统也可根据采样信息的现场分析结果实现自主切换：如DAQ监测的单位窗口时间内地质运动频繁，可自主将采样速率调整为高速频段；当监测的单位窗口时间内地质运动较弱，则系统自主调整为低速频段。LoRa双频段设计可以灵活为同一局域网内的不同地灾监测场景使用不同频段，进行独立的传输加密设计，在防止信号互相干扰的同时，有效避免信号传输拥堵，保证数据传输高效稳定。

图2 双频监测设计

2.2 LoRa自主协议设计

LoRa具有完全开放的公用协议，对于地灾监测DAQ系统的设计方便可行。然而，单纯采用公用协议虽可极大降低开发时间与成本，但存在信号传输干扰的风险。地灾监测一般处于开放的户外，因此存在其他应用LoRa技术设备的可能性，一旦应用了相同LoRa公用协议的两种系统彼此存在于各自有效数据传输范围，必会产生信号干扰，将极大影响数据传输的安全和准确性。

以LoRa公用协议为基本框架进行独立的私有数据传输协议自主开发，在区别于LoRa公用协议的同时，进一步对协议进行针对性改进，使协议更适用于地灾监测DAQ系统。例如，自主协议可自定义离线数据传输机制，有效防止数据丢包；自主协议也可以提高局域网的网组间距，并保证信号传输的安全与稳定。

2.3 系统能耗设计

为保证DAQ设备良好运行，能源的稳定供给尤为重要。不同于其他电子电力设备，地灾监测系统应用于不具备市电供电条件的无人地带，欲满足所有技术需求并同时保证设备在户外长期在线监测，需要优秀的能耗管理与设计。能源设计主要从电力供应与降低功耗两方面进行，如图3所示。通过增大电池容量、提供太阳能电池板等措施提供有效的电力供应；通过设计超低功耗LoRa双频段硬件电路降低系统功耗。

图3 系统能耗设计

低功耗硬件电路设计包括电路分离设计、多级电压设计以及智能控制上电设计等。电路分离设计将系统的主电路与外围电路进行分离供电。主电路保持全天候电力供应，保证服务器的实时通信，并随时激活外围电路。外围电路保持全时休眠状态，仅在受到主电路唤醒激活后进入监测状态。传统DAQ系统为降低硬件设计难度与成本，忽略不同模块的电压需求差异，采用单一电压的能源供应，导致部分元器件供能过剩，耗能过多。通过多级电压设计，保证针对不同传感器、硬件模块等提供相应的需求电压，使各硬件均可实现最低功耗的稳定运行。普通监测系统的传感器全时运行，上层数据采集模块根据需求随时从传感器处调取测量数据，因此大部分时间传感器处于无响应工作状态，所设计的智能控制上电功能仅在上层出现数据采集需求时，系统才为传感器提供电力并进行相关测量，极大降低传感器端的能量消耗。

3 系统调试与实验

3.1 LoRa节点模块设计与调试

图4所示为LoRa节点控制电路，设计节点能够作为一个单节点网关正常工作，并具备4G模块扩展能力。节点模块同时集成倾角传感器、振弦传感器、温度传感器以及电池电压传感器，并均可实现稳定工作与输出。传感器电压开关控制正常，能够给外部传感器供电，其满足5～12 V，1 A标准。服务器可对节点进行多参数切换控制，节点能够正常上线并回复数据。在不超过LoRa网关标称负荷的情况下，对节点进行数据传输压力试验，所有数据均能够稳定传送到服务器。

图4 节点控制电路

3.2 LoRa网关模块设计与调试

网关模块具有独立设计的防中断4G通信调度算法，正常工作条件下去掉网关4G模块30 min随即恢复4G模块连接，服务器仍可收到带有离线数据标记的完整数据。在理想射频环境下，网关具备理论最大负载20%的数据传输超载能力，且超载条件下写数据仍具有较小延迟以及100%上传成功率。常规射频环境下，节点上传的数据包不超过200 B时，每个节点每2 s上报一个数据包的丢包率为0。

实验中，网关模块对通信干扰、频道占用、数据拥塞具有很好的抵抗能力。网关能够稳定检测传送数据出错，并通知节点进行重传。在射频干扰复杂、同频设备过多的情况下，网关可能丢失部分数据包。

3.3 LoRa网关与节点协同压力调试

在开阔地带对LoRa网关与节点进行协同测试，实验结果见表1所列。

通信距离不小于1 km，采用30个节点对单网关系统进行压力测试：网关吞吐量不超过20%，丢包率小于5%，可稳定重传。

现场架设60个节点和3个网关，测试距离超3 km：在数据吞吐量不超过理论值20%的情况下，各子网均能够正常独立通信，丢包率下降到2%以下。

在以上系统压力测试中，对任意一组网关进行掉电操作，30 min后重新上电，系统可恢复正常运行；在以上系统压力测试中，对任意一组节点进行掉电操作，30 min后重新上电，系统可恢复正常运行。在所有调试实验中，节点模组休眠电流均小于2 μA。

表1 网关节点协同压力调试

4 结 语

以LoRa双频段网关节点为基础，完成地灾监测的数据采集系统设计，如图5所示。所设计系统通过LoRa技术完成低频、高频的双频段网关节点数据传输，实现低功耗长时间稳定运行。以自主设计LoRa协议为基础，在远距离监测范围内实现抗外扰影响的稳定数据传输。该设计经济、高效、稳定，同时集成有北斗定位等多种辅助功能，适用于大规模地灾监测。

图5 LoRa双频段网关节点设备