基于LoRa技术的智能航标监管系统设计分析

◎ 何涛 广东省广州航道事务中心城区航标与测绘所

在信息化建设背景下，国家交通运输部颁发了《国家综合立体交通规划纲要》，提出通过推动人工智能、新型通信技术等创新科技应用，在2035年完成智能先进综合立体交通网建设。而在航道智能化发展过程中，智能航标为重要设施，需要通过科学监管保证航道运输高效、安全，因此应引入先进技术完成对应监管系统设计，从而加快航道交通事业的发展。

1.智能航标监管需求

在航道运行过程中，将根据通航条件及上下游航标的关系确定航标的设置，并做好位置调整，以便凭借航标特性完成所在航段标识。为此，需要对航标位置信息进行采集，通过实时监控航标位置加强与船舶联动。通过对航标所在水域的水深、风速、水温等信息进行采集，能够通过建立数学模型完成适航船舶数量推算，及时进行灾害预警，为航道高效、安全运行提供保障。但目前在航标数据采集方面，使用的系统多通过RS232/RS485或有线Modem通信方式，无法满足数据实时传输需求。依靠人工方式进行航标维护则面临劳动强度大、成本高和异常无法得到及时处理等问题，同样无法满足航标管理需求。而移动通讯业务的快速发展，为智能航标监管提供新的数据传输方式，因此应加强现有无线网络资源利用，通过实现航标数据的实况采集加强航标监管。

2.智能航标监管系统设计

2.1 总体设计思路

按照系统设计需求可知，需通过智能航标实时获取地理位置和水文气象等信息。LoRa作为Semtech公司研制出的物联网解决方案，能够依靠扩频技术获得较高灵敏度，在低功耗条件下完成超长距离通信，可以用于航道数据无线传输。将信息发送至后端服务器后，完成信息解析处理，能够通过Web平台进行航标监控。具体来讲，就是利用智能算法分析判断航标是否存在偏移问题，通过及时发出预警提醒人员处理。从系统架构上来看，需要划分为船载节点、组网节点、网络节点和后台监管系统四部分，并通过模块化设计生成与业务需求相匹配的功能模块，增强系统功能的稳定性。其中，船载节点用于确定航标位置，需配备GPS模块进行定位，经前端STM32单片机进行预处理后，通过LoRa模块发送数据，如图1所示。组网节点（Lora Tracker）能够通过天线（LoRaWAN）接收船载节点发送的数据，经打包后以LoRa射频信号形式传输至网络节点。网络节点由多个传感器、通讯模块、LoRa网关和Rasberry Pi控制器构成，能够对前端发送的数据进行解析，然后通过3G/4G移动通信网络传输至后台服务器端，满足人员的数据访问需求。在系统工作过程中，利用前端无线传感器网络完成数据采集和处理，通过LoRa网络进行数据传输，能够将航标相关数据通过服务器存储到系统数据库中。后台监管系统由计算机和服务器构成，用户通过计算机登录平台后，可以对服务器数据进行访问。通过Web服务器，可以根据系统业务逻辑进行数据调用，将各项信息加载至平台，用于实现航标监管。

图1 基于LoRa的智能航标监管系统架构图

2.2 系统硬件设计

在系统硬件设计上，关键在于做好核心控制器、LoRa通信模块和前端设备等各部分硬件设备的选型和设计，确保系统功能可以顺利实现。

2.2.1 核心控制器

系统核心控制器选用Rasberry Pi，属于64 位四核处理器，是基于ARM的微型主机设备，能够达到1.4GHz运行频率。配备SD内存硬盘，主板四周分布多个USB接口和10/100M以太网接口，并配备视频输出接口，具备基本PC 功能，可以用于提取和解析定位数据。不同于STM32等单片机，控制器在网关中需要发挥主控作用。而Rasberry Pi控制器可完成复杂数据运算，同时能够实现2.4GHz和5GHz无线局域网等功能拓展，满足多元任务和各系统调度需求，可以直接下载上层程序，并对底层硬件进行连接，通过互联网实现云控制。为维持平台供电状态，需要向控制器输入5V稳压电源，经过芯片内部调压后通过OUT口向其他模块输出3.3V电压。根据芯片特征，将BOOT0引脚设置为1，将BOOT1引脚设置为1或0，使主机采用闪存启动方式，在执行用户程序的同时，为硬件完成给定任务提供指导。在主控制器工作时，可以与LoRa通信模块连接，通过LoRa网关与各前端节点通信。而通过3G/4G，主控制器可以与服务器通信，将数据发送至服务器数据库中。

2.2.2 LoRa通信模块

设计LoRa通信模块，需要选用SX1301射频芯片，拥有配套供电、GPS和天线射频模块。对节点数据进行收集并发送至网关后，将利用芯片完成数据分类处理，然后传递至主控制器，经过移动或无线通信方式传递至后台。通信芯片对LoRa集中器IP进行了集成，能够通过多通道实现数据收发，达到较高网关通信功能，与远端无线端点建立可靠连接。将芯片和主控器的复位引脚连接，能够实现同步复位，与控制器时钟信号、主输入从输出等引脚连接，可以根据设定的时钟信号完成前端节点扫描，完成数据采集和传输操作。LoRa通信板上配置Max-7 GNSS芯片实现GPS定位，在达到较高定位精度的同时，可以降低系统功耗。凭借先进射频架构，模块能够获得较强抗干扰能力，通过串行端口发送或接收地理信息。在LoRa通信模块中，需要利用SKY67150芯片进行射频信号发送，能够通过天线对节点信息进行接收，经过初步整理后按照控制器指令向网关节点发送数据。采用LoraWAN1.0.2通信协议，LoRa通信模块能够在该模式下工作，主动连接LoRa网络。而采用电池供电，可以丰富模块应用场景，使模块用于户外通信展现较高可靠性。

2.2.3 前端设备

在前端设备选型方面，还应结合数据采集需求完成各种传感器的布设，确保全面掌控航标信息。在通过GPS模块进行航标定位的同时，应配备水位计、风速计等设备，完成水深、风速等数据采集。但实际航标漂浮在水中，将产生一定倾斜角度，遭遇大风、洪水等天气容易受外力影响，导致航标安全受到威胁。加装角速度传感器，能够对航标实时倾角进行测量，同时分析水流速度、天气等信息能够及时发出预警，提醒人员及时开展检修维护工作。为避免航标因发生位置偏移给船舶航行带来威胁，可以加装微型摄像头进行拍照，方便人员实时查看周围环境状况，帮助人员做好充足准备。针对前端设备，需要选用锂电池进行供电，确保航标成为智能设备，完成各类数据全方位采集。

2.3 系统软件设计

在系统软件设计方面，需要划分为组网、服务端和平台三部分分别完成软件设计，满足系统功能实现需求。

2.3.1 组网软件

系统LoRa终端分布在不同航标上，需要利用自组网形式实现无线连接，确保将采集到的数据统一发送至系统网关节点。实际在系统组网方面，采用星形拓扑架构，将LoRa网关当成是连接点，用于对终端和系统服务器的IP进行连接。采用单跳通信方式，各节点将进行双向通信，经扩频后在不同频率下进行数据传输，具体范围在0.3～0.5kbit/s之间，能够通过自适应方式对终端射频输出进行控制，达到提高网络容量的效果。按照组网规范，需要进行点到点传输，将终端节点划分为ClassA、ClassB和ClassC三种模式，利用软件程序完成业务场景设置，并通过中继进行接口处理，使数据通过上行链路传递至网关。在网关和终端间，同样设计为单跳连接，确保节点数据能够被多个网关接收，然后通过IP网络上传，以免出现数据丢失问题。按照系统工作流程，上电后将对LoRa模块进行初始化，判断是否存在新节点加入请求。发现有节点请求，将确定节点物理地址等信息是否在网络缓存表中，未发现相同信息将在缓存表中记录，并将节点加入网络，完成组网过程。在节点发送数据时，经协议栈封装生成数据帧，可以向网络层发送，经过拆分、帧信息校验后，将有效载荷取出并传递至应用层，使数据在网关得到汇聚。

2.3.2 服务端软件

主控器向系统服务器发送航标相关数据，需要完成服务端软件编程。在Linux开发环境下，可以通过开发应用程序实现与服务器间的通信，完成不同数据端口调用，从而利用多线程进行位置、风速等各种数据传送。在软件编程方面，需要先搭建4G无线上网场景，在主控制器启动后Linux系统将进入自启模式，获取Telent服务对服务器进行直接访问。将网络节点当成是客户端，将控制器当成是PC服务端，可以利用Socket通信获取航标各项信息，如图2 所示。控制器针对获取的数据，将先进行分割操作，然后结合地理、水文等数据类型进行分别处理。如针对GPS数据，将插入到对应GPSData数据库表中，最后通过4G网络将数据发送至服务器。

图2 Socket通信流程

2.3.3 平台软件

通过后台监管系统实施航标监管，需要利用Web浏览器显示平台界面，并通过服务器业务处理逻辑进行数据调用和显示，因此应完成对应软件程序开发。平台采用B/S架构和S S M 框 架，通 过IoC容器控制对象间的依赖关系，并通过SpringMVC分开业务逻辑层和表示层，完成前端页面和后台业务逻辑耦合。通过XML进行原生信息映射，将接口和POJO类映射为数据库中信息，能够实现平台信息的实时加载。采用Java语言编程，可以将服务端发送数据存入到对应数据库，然后通过页面访问数据。在数据处理方面，需要编写数据解析程序，如针对GPS数据需要完成航标设备号、经度、纬度、日期等信息解析，处理后存入数据库中。对航标进行监控，可以根据航段等信息进行对应航标位置和水文气象信息调取。系统根据设定值对采集到的数据进行分析，确认超出偏差范围后将发出预警，提醒人员对航标位置进行纠偏，并生成管理日志，为人员制定维修维护方案提供依据。通过对不同时段航标报警数据进行分类统计，能够结合报警类型、地点、时间等条件掌握故障发生规律，优化已有航标检修维护计划，做到高效开展航标监管工作。

3.结论

为实现航标实时监管，需采用LoRa技术完成智能航标监管系统开发，通过在前端布置GPS和传感器进行航标位置和水文气象信息采集，并通过无线通信方式进行数据实时传递，确保人员可以在后台实施航标信息化管理，及时发现和处理航标位置偏移等情况。引进物联网、移动通信等技术创新航标监管模式，能够提高航标智能化管理水平，达到安全、高效通航目标。