基于LoRa 和EMD 的水聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

姜愉，黃美媛（通訊作者），王明娟，梁劍烽，鄧宗蓮

（北部灣大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣西欽州，535000）

0 引言

進行水下聲波測量時，經(jīng)常會檢測到一些時間較短的瞬態(tài)信號，如水下生物發(fā)出的聲音、發(fā)動機聲音、船舶穿過聲、魚類劃水聲、水下爆炸聲、物體入水聲等。這些聲音信號具有豐富的目標(biāo)特征信息，對于捕魚、生態(tài)保護、軍事等方面具備重要參考價值。

由于采用聲吶系統(tǒng)對瞬時信號進行特征提取的方法不夠完善，因此瞬態(tài)信號的檢測意義重大。但由于水聲信號源往往處于水源深處，普通的通訊方式很難實現(xiàn)信號傳輸，因此選取一種適合在深水中遠距離無線傳輸?shù)姆绞接葹橹匾Ｋ晸Q能器具備發(fā)生信號和接受信號的功能，適合水下信號采集及定位。在適當(dāng)位置布置水聲換能器可有效監(jiān)測水下聲音信號[1]。

LoRa 技術(shù)適合遠距離擴頻傳輸，穿透力強，本文采用LoRa 技術(shù)設(shè)計遠程無線水聲監(jiān)測系統(tǒng)，并對采集的數(shù)據(jù)信息使用EMD 分解，提取數(shù)據(jù)中有用信息作為特征參數(shù)。

1 技術(shù)原理

1.1 LoRa 通信原理

根據(jù)信號傳輸特性公式，低頻信號往往具備更遠的傳播距離并損耗較低。LoRa 通過433MHz 等較低頻段進行通信，通信距離遠大于2.4GHz 通信的ZigBee、BlUetooth 等通信方式，LoRa 在無障礙情況下的直線通信距離可達20KM以上。傳統(tǒng)調(diào)制方式包括二進制相移鍵控、頻移鍵控方式傳輸距離在2km 以內(nèi)。

LoRa采用擴頻通信技術(shù)，通過擴頻碼調(diào)制，傳輸距離遠，同時具備極強的繞射能力。信息發(fā)送采用多頻道傳輸方式，任一信道到達接收端即可實現(xiàn)通信，相對單一信道通信方式更適合在水中傳播。

1.2 EMD 原理

EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）通過選取適當(dāng)?shù)耐ㄟ^對信號局部極大值和極小值點進行插值的方式形成包絡(luò)線，然后計算包絡(luò)平均值。通過函數(shù)剩余量減去包絡(luò)平均值獲取各個分量，直至剩余函數(shù)中極值點個數(shù)小于等于兩個分解結(jié)束。

EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）分解原始信號為符合極點值與過零點值數(shù)量差別小于1 和局部最大值和局部最小值產(chǎn)生的上下包絡(luò)線的平均值為0 的窄帶分量。EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）分解的各個分量含有不同的頻率特征和特征尺度，對各個分量通過選取適當(dāng)?shù)腎MF（固有模態(tài)函數(shù)），可實現(xiàn)去噪重構(gòu)。對各個頻率分量采用希爾伯特變換可實現(xiàn)瞬時屬性參數(shù)的獲取，這也是著名的希爾伯特黃變換的實現(xiàn)方式。其核心公示：

其中 x (t )為原始信號， ci(t )為本證模函數(shù)， rn(t )為剩余分量。

2 硬件設(shè)計

水聲監(jiān)測采集系統(tǒng)分為上位機、LoRa 網(wǎng)關(guān)和水聲采集節(jié)點三部分構(gòu)成。水聲采集節(jié)點包括水聲傳感器、單片機、存儲器和GPS 模塊及LoRa 無線傳感模塊構(gòu)成；網(wǎng)關(guān)包括單片機、存儲器、LoRa 無線傳感模塊及串口構(gòu)成。水聲采集節(jié)點通過水聲換能器采集水聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)濾波放大后進入單片機，單片機通過LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至LoRa 節(jié)點，節(jié)點通過LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至LoRa 網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)收集多節(jié)點數(shù)據(jù)后通過RS485 總線發(fā)送給上位機，上位機對水聲數(shù)據(jù)處理及發(fā)送采集命令[2]。如圖1 硬件架構(gòu)圖所示，水聲采集節(jié)點通過LoRa 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與LoRa 網(wǎng)關(guān)通訊，LoRa 網(wǎng)關(guān)通過RS485 與上位機通訊。

設(shè)計中所用單片機選取可外置存儲器STM32F205、LoRa 通訊模塊采用可串口透穿的SX1262 芯片、GPS 定位模塊選擇SKG09A、電源模塊采用鋰電池供電。

2.1 微控制器

考慮存儲數(shù)據(jù)量的問題及水下功耗較低等要求，采用可外置存儲器的單片機STM32F205。該MCU 高集成度，集成1MB Flash 存儲器、128KB SRAM、以太網(wǎng)MAC、USB2.0HS OTG、照相機接口、硬件加密支持和外部存儲器接口[3]。

圖1 水聲采集系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.2 LoRa

水下信號干擾較強，另受水深影響，需選取傳輸能力較強的工業(yè)級芯片。設(shè)計采Hope Microelectronics 公司的RFM95 芯片作為LoRa 無線傳感模塊[4]，采用擴頻通信技術(shù)，基于ALOHA協(xié)議，采用異步方式，根據(jù)應(yīng)用場景睡眠和工作，功耗極低[9]。其在無干擾情況下直線傳輸距離可達8KM，發(fā)射功率可達10W。

2.3 GPS 定位

GPS定位模塊主要用于提供聲音采集裝置的具體位置，系統(tǒng)工作時將具體位置傳輸給LoRa 網(wǎng)關(guān)，LoRa 網(wǎng)關(guān)再將位置信息傳輸?shù)娇刂贫耍瑸楦鼡Q電池和更換采集裝置的位置提供支持。GPS 定位模塊選擇SKG09A 定位模塊，該模塊集成RF 射頻芯片、基帶芯片和核心CPU 及相關(guān)外圍電路，該模塊具有功耗低和靈敏度高的特點[5]，適合在水下空間準(zhǔn)確定位。本模塊通過2、3 引腳首發(fā)數(shù)據(jù)，外圍電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 GPS 外圍電路連接圖

2.4 其他硬件

水聲換能器選擇安布雷拉DYW-500-E，遵守GB/T3223-94 標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率范圍是頻率：500kHz±7.5kHz，可達100m 水深壓力。滿足自由場電壓靈敏度高、發(fā)送電流電壓響應(yīng)強、指向性強的要求[6]。

單片機和LoRa 模塊的電源采用3.7V 鋰電池降壓供電，GPS 定位模塊和水聲換能器采用鋰電池升壓供電。

封裝材料需具備密封性強和信號傳輸干擾性弱的特點，選取朔料材料密閉封裝，朔料材料對信號傳輸影響較小，容易封裝，且處理方便[9]。

3 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)采用IAR Embedded Workbench 開發(fā)工具,IAR Embedded Workbench 具備完整的交叉編譯器和調(diào)試器，提供直觀用戶界面，適合各類嵌入式開發(fā)使用[10]。軟件部分主要包括水聲采集節(jié)點工作流程、網(wǎng)關(guān)工作流程、上位機工作流程三部分組成。

3.1 LoRa 網(wǎng)關(guān)工作流程

LoRa 網(wǎng)關(guān)的首先進行初始化，然后與上位機建立連接，根據(jù)上位機命令組建網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)節(jié)點請求允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。對節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收并對信息進行解調(diào)，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式發(fā)送至上位機。

3.2 水聲采集節(jié)點工作流程

水聲采集節(jié)點的工作主要是發(fā)現(xiàn)LoRa 網(wǎng)絡(luò)后向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送加入請求，根據(jù)網(wǎng)關(guān)命令采集水聲信息并發(fā)送給LoRa 網(wǎng)關(guān)，發(fā)送信息后如無結(jié)束命令則繼續(xù)采集[11]。整個采集過程需在水聲環(huán)境平穩(wěn)下根據(jù)傳播距離測試，確保實驗環(huán)境的穩(wěn)定性。測試其軟件工作流程如圖3 所示。

圖3 節(jié)點軟件流程圖

3.3 上位機工作流程

上位機主要負責(zé)發(fā)送采集指令及接受LoRa 網(wǎng)關(guān)傳輸回來的水聲信息,采用EMD 算法按頻率特征分解水聲數(shù)據(jù)，根據(jù)各層信息作為特征參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析，達到提取水下瞬態(tài)信號特征參數(shù)的目的[12]。

4 結(jié)語

本文提供了一種基于無線技術(shù)LoRa 的水下遠程聲音信息采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，本方案可用于水下目標(biāo)監(jiān)測、水下野生保護動物聲音監(jiān)測等領(lǐng)域。可為水下作業(yè)、水下爆破和機器人水下打撈等提供輔助功能，具有較好的參考價值。

本文的后續(xù)研究主要針對水下信道傳輸、不同水下環(huán)境噪聲的去噪處理，以及結(jié)合水聲換能器特性和布局的水下目標(biāo)定位[13]。