基于LoRa自組網的鋼支撐應力監測系統設計

龔結龍

（中電海康集團有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

近些年國家各主要城市均在建設城市地鐵工程，其安全質量一直是國家有關部門再三強調的主題。為確保施工過程的安全，目前大多數地鐵基坑工程中的應力數據采集多采用局部測量、定時采集的方式。這類基坑在施工過程中，數據采集及分析具有局限性，監測效率低，需要間隔一定時間對一些鋼梁進行抽查，實時性不高，測試誤差也較大[1]。如何準確地將鋼支撐受力數據進行實時采集，供相關人員參考分析、提前預警、降低工程風險，避免發生重大工程事故是一個亟待解決的課題。

鋼支撐應力監測系統應運而生。地鐵鋼支撐應力監測系統由監控中心服務器、WSN（無線傳感器網絡）主控制器、WSN路由器、WSN采集器以及應力傳感器（振弦式反力計）組成，其核心是基于自主知識產權的WSN協議棧搭建的無線傳感器網絡[2]。本文主要介紹無線傳感網設計及其硬件設備的開發，監控中心服務器上位機部分在該項目中不做細致闡述。無線傳感器網絡由WSN主控制器、WSN路由器以及WSN采集器構成，具有自組織、自維護功能。系統整體結構如圖1所示。

WSN采集器將采集到的監測點應力數據、電池電量以及溫度等通過無線傳感器網絡上傳到WSN主控制器，并由主控制器匯總后采用以太網或GPRS網絡上傳到上位機客戶端軟件，寫入數據庫。Web服務器向用戶提供數據顯示、報表、統計等功能，實現對鋼支撐應力的實時監測和預警。

1 總體設計

1.1 WSN基礎平臺方案

根據無線傳感器網絡的特征，結合開放系統互聯基本參 考 模 型（Open Systems Interconnection Reference Model，OSI）的7層協議棧模型和TCP/IP的4層協議棧模型，同時根據市場和應用的實際需求對WSN協議棧進行設計[3]。考慮到WSN的計算資源和存儲資源十分有限，且通常數據傳輸率不高，因此不設計傳輸層，僅將該協議棧劃分為4層。協議棧體系結構如圖2所示。

圖1 系統整體結構圖

圖2 WSN協議棧體系結構

WSN協議棧采用分層結構：

（1）物理層（Physical Layer，PHY）：提供簡單且健壯的信號調制解調、加解密、自適應頻段切換和無線收發技術。

（2）媒體訪問控制層（Medium Access Control Layer，MAC）：負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問控制。

（3）網絡層（Network Layer，NWK）：具有自組網、自維護、網絡管理、安全管理和網絡互聯等功能。

（4）應用層（Application Layer，APL）：提供面向用戶的各種應用服務[4]。

1.2 關鍵點分析

關鍵點包括節點低功耗處理，節點上報采集點信息時的免碰撞機制以及時隙計算機制。節點路由選擇將策略優化、時隙分配機制、時鐘同步機制、節點加網機制與低功耗處理流程相結合[5]。

1.3 組網設計

本文以某地鐵鋼支撐應力監測項目需求為例，從用戶方提出的鋼支撐應力監測系統監測范圍以及節點個數出發，設計系統最大路由深度為5，最大子節點個數為100，最大路由個數為10，可完全滿足設計要求。路由器組網采用目前的組網方式，采集器組網需要增加低功耗處理機制。采集器組網應設定組建周期（如1 s），以便估算采集器生命周期。采用當前處理機制實現網絡拓撲維護以及鏈路檢測機制，但維護中數據傳輸必須基于時隙。

1.4 同步機制實現

由于網絡中實際接入的節點個數遠遠小于0xFFFF，如果以0xFFFF為系統中接入節點的個數劃分時間片，會導致時間片劃分過細，大量有效時間片無法被有效利用，而如果同一個父節點下連續時間片相對較多，會使得同步機制實現難度增大。本方案中考慮采用實際接入節點劃分時間片。假設系統中實際接入節點個數為100，則將發送周期定為20 min，其中競爭周期定為10 min，同步周期定為10 min（上述周期定義可以根據實際測試結構分配）。因此，時間片為10×60 s/100=6 s。

按照同步誤差為2 s計算時，能夠加入的子節點個數為10×60/2=300個，滿足設計要求。

系統中所有同步均是分級同步，即子節點通過父節點時鐘實現同步。同步數據幀采用直接發送與中斷直接處理相結合的方式實現。同步機制實現與應用層對等，但采用跨層直接處理方式。采集器節點同步時間定義在數據幀上傳到父節點后立即等待同步數據幀，因此路由節點的同步必須在同步周期前完成。

劃分時間片時，路由節點時間片定義在同步周期的開始階段。路由器同步周期內主要實現鏈路檢測和時鐘同步。主控在時間片內主要在單跳范圍內發送時鐘同步命令幀，用于其子路由節點的時間同步（同步備份）。

根據系統實際運行特點，將系統周期定義為同步周期和競爭周期，用Tsys表示，單位為s。由于系統中采用實時時鐘表征系統運行時間，且最小單位為s，因此定義系統周期最小單位亦為s。例如：若系統周期Tsys定義為20 min，則系統周期起始時刻定義為**小時00分00秒、**小時20分00秒以及**小時40分00秒。

在同步周期中，每個節點均有一個時間片來傳輸有效數據，且同步周期按照時間片的先后順序，劃分為主控制器時隙、路由器時隙和采集器時隙。

同步周期中時間片劃分方式：當前的無線能耗監測系統中，主控制器端需要保存每一個節點設備（包括路由器、采集器）信息，且主控制器端需維護一張節點設備信息表，該表被保存在主控制器RAM中（資源充足時），同時也在非易失性存儲器（E2PROM，FLASH）中備份。采用該設備信息表中的位置號作為每一個節點的時間片序號。在系統中，該時間片序號是唯一的，且有效位置可以通過算法控制為連續狀態。

上述時間片序號設置的特點如下：

（1）靈活：每一個設備新加入網絡后，均可由主控受理一個時間片序號，同時表征該設備在設備表中的位置。

（2）分配便捷，具有唯一性。

在子節點時隙中，由子節點首先發送數據信息給父節點，然后等待設定接收窗口時間接收時鐘同步信息以及和父節點處理應急事務。

1.5 系統周期實現

在鋼支撐應力監測系統中，系統周期處理策略最為重要，其定義如圖3所示。

圖3 系統周期

系統周期表示系統中所有設備在時間軸上周期性的工作模式。系統周期可劃分為競爭周期和同步周期。

競爭周期：系統中所有節點均可在競爭周期中采用CCA機制進行通信。目前在競爭周期中主要傳輸采集器報警信息，以及采集器和路由器入網流程。

主控時隙功能：主控制器發送時鐘同步命令幀以及參數修正命令幀等。該時隙由主控制器主動發送數據幀，網絡中的其他節點均不能發送數據幀（沒有同步的節點除外）。

路由器時隙：路由器收發數據時間片，用來進行時鐘同步和鏈路檢測及與主控制器之間的信息交互。

采集器時隙：該時隙用于采集器與其父節點以及主控制器通信。如果采集器已經加入網絡并且與主控制器同步，則首先在該時隙內發送鏈路檢測命令幀并完成鏈路檢測。

節點啟動后，獲取系統周期相關參數。獲取方式如下：

（1）若節點系統周期參數已配置完成，則直接以上述參數為準執行后續流程；

（2）若節點系統周期參數未完成配置，則采用默認系統周期參數為準執行后續流程。

為了系統周期實現方便及減少RF通信過程，本系統周期起始時間定義：系統周期起始時間定義為**時00分00秒，因此系統周期最好設計為單位小時內具有整數個完整的系統周期。采用上述定義方式后，節點就可以通過RTC時間計算系統周期起始時間。

1.6 時隙處理流程

節點在時隙內主要完成如下工作：

（1）數據采集及上報（直接向主控制器發送）；

（2）節點與父節點時鐘同步；

（3）節點信息主動上報（可選）；

（4）計算喚醒時間并進入低功耗模式。

采集器節點在時隙內處理流程如圖4所示。

圖4 時隙處理流程

1.7 上位機與主控制器時鐘同步處理流程

上位機每半小時對主控制器時鐘進行一次同步，啟動時鐘同步流程時間最好以系統時間為準（即定義**時00分 **時30分進行校時），不以運行時間為準，且上位機客戶端啟動并與主控制器連接成功后，將立即執行時鐘同步流程，并輸出校時成功信息以便調試。上位機與主控制器同步處理過程如圖5所示。

1.8 速率自適應機制

本文的RF傳輸技術采用LoRa。LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，這種傳輸方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供了一種能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而可擴展傳感網絡[6-7]。

圖5 上位機與主控制器同步處理

LoRa技術支持SF7～SF12共6種速率的LoRa信號，當節點連續入網但接收不到回復時，將主動調節擴頻因子SF為其他值，然后再次發送入網請求/傳輸數據，直到調整到一個收發準確率較高的數據傳輸速率為止。

2 系統設計

2.1 RF模塊

RF模塊分為網關RF模塊和節點RF模塊。

網關RF芯片采用Semtech公司設計生產的基于LoRa調制的基帶芯片SX1301，它的目標是為廣域范圍的眾多無線節點提供健壯的星型基站。SX1301有一些關鍵的技術特征，包括高達-142.5 dBm的接收靈敏度、49個LoRa“虛擬”通道和ADR技術。IF0～IF7的LoRa通道帶寬固定為125 kHz，每個通道都可以設置中心頻率，接收SF7～SF12共6種速率的LoRa信號[8]。

節點中所用的RF主芯片為SX1276/SX1278，該芯片相比SX1301，只支持一個SF通道。通常用于超長距離擴頻通信的節點設計，抗干擾能力強，能夠最大限度地降低電流損耗[9]。

2.2 主控制器設計

WSN協調器負責其管理范圍內的WSN路由器以及WSN采集器的組織和維護，負責應力傳感器數據匯總，并提供移動接入（GPRS，CDMA，WCDMA）等接口，將WSN采集器采集的監測點數據信息上傳到監控中心服務器。

主控制器選用TI公司設計生產的以AM335x為核心處理器的ARM Cortex-A8平臺[10]，外加以太網接口和3G模塊構成上行鏈路，通過上行鏈路，主控制器可接入互聯網；主芯片與RF芯片SX1301采用SPI接口通信，作為下行鏈路，與網絡中的路由器通信，該部分中的實時時鐘作為通信中的時鐘同步使用，借助E2PROM存儲參數信息。協調器結構如圖6所示。

圖6 協調器結構框圖

2.3 路由器設計

WSN路由器負責無線數據幀路由轉發。根據該系統的實際應用環境及范圍，采用不同數目的WSN路由器組建WSN基干網，負責WSN協調器與WSN采集器之間的數據交互。由WSN路由器組建的WSN基干網覆蓋了該子網中的所有WSN采集器，并提供自維護、自修復的通信鏈路。

路由器采用Semtech公司設計生產的STM32L051x作為核心處理器，與RF芯片SX1301通過SPI連接，與網絡中的上、下層設備通信。實時時鐘做通信中的時鐘同步之用，E2PROM用來存儲一些重要信息。同時還預留有復位按鍵、串行通信口、LED指示燈等交換接口。市電經AC-DC模塊轉換成所需電壓后為路由器供電，其框架如圖7所示。

圖7 路由器框架圖

2.4 采集器節點設計

WSN采集器負責與其連接的應力傳感器的數據采集和上傳，及該監測點應力數據分析以及報警狀態指示。結構外殼與路由器相仿，不同之處在于采集器由于基坑內無法取電，只能依靠電池供電，且需要維持一定時間不能拆卸，因此低功耗設計是該部分需要重點考慮的問題。除了算法有差異，硬件也需要仔細設計評估。圖8所示為采集器的實現框圖，與路由器類似，采用1個STM32L051x單片機芯片作為主處理器[11]，以SPI接口方式控制射頻模塊進行無線通信，輔以復位按鈕、RTC時鐘電路、E2PROM電路、溫度采集電路、電池電量采集電路、電源管理電路、應力采集電路等。

圖8 采集器節點框圖

3 系統使用

3.1 設備形態

本文所設計的集中器、路由器和采集器的節點外觀如圖9所示。

3.2 系統調試

主控制器與客戶端軟件的連接通過主控制器與客戶端計算機的連接實現。連接方式包括以太連接、GPRS連接。當主控制器安裝現場有以太接口時，推薦用戶采用以太接口。上位機界面如圖10所示。

圖9 設備形態

圖10 上位機顯示

采集器節點、路由器和協調器工作后，會自動加入網絡。入網后的拓撲圖如圖11所示。圖中將顯示已入網和未入網的設備。現場裝置經過正確安裝后，設備將全部正確入網。本文所設計的鋼支撐應力監測系統應用在具體場景中時，整體系統的性能還取決于應力傳感器的精度，這些數據的采集在此不作討論。

圖11 網絡拓撲顯示設備入網情況

4 結 語

本文針對基坑安全施工要求，設計了基于LoRa自組網的應力監測系統。所設計的WSN協議棧具有組網快、魯棒性強、穩定性好等特點，為相關工地安全作業提供了更好的保障。該系統具有良好的可移植性和擴展性，能夠應用于其他相關物聯網領域的項目中。