基于物联网技术的便携式地震流动观测网关设计

张 兵,邢丽莉,朱小毅,薛 兵,苏 鹏,李 珍,孙晓叶

(1.中国地震局地震预测研究所,北京 100036;2.防灾科技学院,河北 三河 065201)

0 引言

地震密集综合观测台阵网络具有覆盖地域广、野外通讯环境复杂、观测节点间距离长(数公里至数十公里)等特点。目前,我国地震监测固定台站组网均基于地震专网,流动观测大多采用4G移动网络[1-2]。对于无公共网络地区,基本上采用卫星通信、移动基站、数传电台等方式将测点接入,但是存在以下不足:卫星通信费用高、只能逐点接入;移动基站价格高、覆盖区域小;数传电台带宽窄,只能点对点传输[3-4]。如何基于无线传感器网络动态路由机制和宽带无线传输技术,实现在野外无公共网络环境下观测系统高效组网,是台阵监测必须解决的难点。

近年来,随着物联网技术的发展,各种无线通信技术源源不断地涌现,如Wifi、ZigBee及LoRa(Long Range Radio,远距离无线电)等[5-6],上述无线网络技术的特点如表1所列。

表1 三种无线网络技术特点Table 1 Characteristics of three wireless network techniques

由表1可以看出,LoRa和ZigBee由于传输距离相对较远、网络容量较大、功耗低等特点适用于无移动通信网络的地震密集综合观测台阵前端监测节点高效组网,Wifi传输速度高、距离近则适用于台阵监控管理系统。无线通信网络是一个包括各种网络的有机整体,因此需要将不同网络的协议体系进行融合,以提高网络的通信能力。

针对地震野外流动观测网络系统的流动性强、范围广、密度大、环境复杂的观测模式特点,本文基于Wifi、ZigBee和LoRa网络技术,设计实现了一种适用于地震野外流动观测的复合通讯网关,融合多种网络,解决困扰地震野外监测多年的低成本、高效传输、快速部署的台阵组网难题。

1 野外地震综合观测台阵网络架构设计

针对野外观测环境无公用网络的情况,设计了一种新型基于物联网技术的地震综合观测台阵网络架构如图1所示。野外地震观测节点主要采集气体组份、地磁、电磁波、温度和压力等数据,经过GPS授时后封装成ZigBee协议数据包通过ZigBee网络传输到汇聚节点,汇聚节点通过ZigBee网络将数据转发到网关,网关将接收到ZigBee协议数据解析后封装成LoRa协议数据包通过LoRa网络转发给下一个网关或者封装成TCP/IP数据包通过TCP/IP网络传输到台阵监控管理系统进行数据处理[7-8]。该网络架构具有无线、自组织组网的特点,不依赖于公用网络的基站等基础设施,可以实现野外观测现场快速布网,适合地震流动观测工作。

图1 台阵网络架构图Fig.1 Network architecture diagram of array

2 观测数据传输网关设计

为了实现地震野外观测数据跨不同网络实时传输,设计了融合Zigbee、LoRa和Wifi 3种网络的复合通讯网关,主要由MCU(Micro Controller Units,微控制单元)主控芯片、LoRa收发模块及收发天线、Wifi模块、ZigBee模块、以太网控制器和RJ45通讯模块五大部分组成[9],如图2所示。

图2 复合网关硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of composite gateway

由于野外观测无市电供电,对此采用锂电池供电的低功耗处理器芯片STM32L431作为系统主控芯片MCU,用于执行程序、协议转换以及协调各外围功能模块工作,LoRa模块由收发天线和收发模块两部分构成,其中LoRa收发模块选用SX1278主控芯片,并通过SPI总线与主控芯片进行数据通讯。LoRa收发模块有中继器和集中器两种角色,可以实现LoRa组网和LoRa网络的扩展,实现远距离通信。Wifi、ZigBee这两种通讯方式使用TTL通讯方式与网关MCU进行连接。RJ45有线通讯方式通过DM9000以太网控制器与网关MCU进行连接,通过MCU配置相关运行参数。

3 观测数据网络通讯设计

为了实现观测数据长距离的网络通讯,设计了不同网络间的协议转换,数据传输网络组网如图3所示。Wifi通讯方式主要用于网关与手机等便携式设备的无线数据交换,用于浏览实时观测数据。ZigBee通讯方式用于网关与传统ZigBee自组网节点的数据交换。RJ45有线网络通讯方式用于网关与PC服务器的数据交换。当ZigBee网络连接经过多个ZigBee通讯节点连接当前LoRa网关和其他网关时,则将ZigBee网络连接对应的网络设定为多通道通讯模式,当该ZigBee网络连接为当前复合网关连接单个ZigBee通讯传感器时,则将ZigBee网络连接对应的网络设定为单通道通讯模式。复合通讯网关与其他网关通过LoRa通讯模块相连或通过ZigBee多路由无线通讯相连实现组网[10-11]。采集的地震野外观测数据通过ZigBee自组织网络节点,经过网络多跳传输到复合网关的ZigBee模块,然后MCU通过判断网络通讯状态,选择上述3种网络中的其中一种网络进行传输数据到台阵监控管理系统。

图3 网络通讯示意图Fig.3 Schematic diagram of network communication

在野外流动观测现场布设网络设备后,复合网关先由MCU主控芯片判断ZigBee网络连接对应的网络为多通道ZigBee网络还是单通道ZigBee网络。若与当前复合网关连接的ZigBee通讯节点还与其他通讯节点相连接,则MCU主控芯片将该ZigBee网络连接对应的网络确定为多通道模式,若与当前复合网关连接的ZigBee通讯节点没有与其他通讯节点相连接时,则MCU主控芯片将该ZigBee网络连接对应的网络确定为单通道模式[12-13],如图4所示。

图4 复合网关网络通讯流程Fig.4 Network communication flow of composite gateway

当ZigBee网络配置为多通道通讯模式时,由系统MCU主控芯片会通过网络质量监测程序或软件对LoRa网络和ZigBee网络进行实时网络传输质量检测判断,当LoRa网络传输质量优于ZigBee网络传输质量时采用LoRa网络进行数据传输服务,当ZigBee网络传输质量优于LoRa网络传输质量时采用ZigBee网络进行数据传输。

观测数据在进行多网关通讯时,若出现因LoRa模块使用的频段受全频干扰、覆盖等造成的通讯中断、信号质量低等情况时,在通讯范围内可以配置启用ZigBee、Wifi或者通过网线进行连接,从而在连接不同类型的网络后快速准确的确定相应的数据传输网络,保证通讯的可靠性,实现观测网络的自我修复性。

野外地震观测节点主要采集气体组份、地磁、电磁波、温度和压力等数据,在上述3种网络中,将网络传输报文协议设计为包头、8位传感器数据类型、8位传感器地址、16位整型传感器数据、包尾,用于在不同网络中进行数据解析[14-15]。

4 野外测试及分析

运用研发的复合网关,主要针对LoRa网络运行性能进行测试,如图5、图6和图7所示。在北京市白家疃山区开展野外测试,该区域是山前同侧缓坡,有树木覆盖和楼宇坐落。将两个网关进行点对点LoRa组网,锂电池供电电压3.3 V,外接3 db增益胶棒天线,发射功率使用最大值20 dbm,信道为20,工作频率为418 MHz,工作在功耗最高的运行RUN状态,默认模块为接收模式,当有数据发送时切换为发射状态,发送完毕后恢复接收状态。复合网关中加入数据校验算法,校验不通过的数据包直接全部丢弃。两个网关天线被架高于2 m,收发天线处于可视空旷环境,可视距离5 m,中间存在树木和楼宇遮挡,周边无大型无线电干扰源。

通过对网关Wifi、ZigBee和LoRa 3个模块同时工作和同时休眠分别进行功耗测量,平均功耗约为1 W。

两个复合网关在直线距离3 m,SNR(信噪比)为15,RSSI(信号强度)为-54,数据循环发送时间间隔为500 ms,空中数据传输速率等级分别为10(对应速率为21 875 bps)、5(对应速率为977 bps)和1(对应速率为268 bps)时分别测试LoRa网络通信误码率(BER),结果如图5所示。

图5 不同速率等级误码率测试结果Fig.5 BER test results of different rate levels

由图5显示的测试结果可以看出,在相同距离下,传输数据在20 B及以下时,不是传输速率越高误码率越低,传输数据在20 B以上传输速率越高,则整体误码率越低;在最高空中数据传输速率下,只有在160 B传输数据的情况下误码率为0;当传输数据较多时,空中数据传输速率越低,误码率越高。误码率较高的主要原理是传输数据量和传输速率不匹配导致发送缓冲区溢出造成的。从整体上看,需要平衡传输数据量和传输速率两个参数才可以达到最优的网络传输质量。

将传输数据设置为10 B,空中数据传输速率等级设置为10,数据循环发送时间间隔为500 ms,在100～2.5 km的传输距离内进行网络性能测试结果如图6和图7所示。

图6 不同传输距离误码率测试结果Fig.6 BER test results with different transmission distances

图7 不同传输距离网络质量测试结果Fig.7 Network quality test results with different transmission distances

从图6和图7测试结果可以看出,在21 875 bps的最高空中数据传输速率下,整体上随着距离的增加,误码率逐渐升高,信号质量逐渐降低,变化趋势接近线性,但是在100 m和2 500 m时均有突变,200～2 000 m的距离内变化相对稳定。

5 结论

该复合通讯网关集成了Wifi、ZigBee和LoRa 3种无线网络技术,以LoRa为主要的通讯网络,但可以自主根据信号质量进行网络切换,锂电池供电,具有低功耗、快速组网和方便携带等优点。通过实验测试,该网关可以实现2 km范围内最高21 kbps空中传输速率的网络通讯状态,通过优化传输数据量和传输速率可以获得更好的网络通讯,通过节点多跳技术可以扩展更广的区域范围,适用于地震野外监测高效传输、快速部署的台阵组网。