基于LoRa與北斗短報文通信的監測系統

黃 毅，沈向前，謝 翔

（1.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410007；2.湖南省礦山安全智能化監控技術與裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410007；3.長沙市工程災害智能監控與防治工程技術研究中心，湖南 長沙 410007）

0 引 言

地質災害是由地殼運動或人為活動等作用引起的地質運動。巖土崩塌位移等自然災害嚴重威脅著人們的財產和生命安全，因此防災減災成為了人們的必要活動。我國幅員遼闊，蘊含各種地形地貌和地質構造，地理和氣候環境復雜，人類的一些生活和經濟活動也導致了生態環境變得脆弱，進而催生了大量的自然災害。為此，我國提出了“預防為主，防治結合，綜合治理”的方針，其中特別強調了對自然災害預防工作的重視。我國主要的地質災害為滑坡和崩塌，其中最為嚴重的地區為西南地區。為了盡可能地降低地質災害造成的損失，需要及時進行地質災害預警。但我國西南很多地區為欠開發區域，通信和供電水平制約了常規在線監測手段的發揮。此種情況下亟需一種低功耗、高功效的地質災害監測系統來彌補這一不足。

北斗衛星通信擺脫了移動通信基站的限制，能夠在國內任意地區實現信息交互，為偏遠地區提供了可靠的通信手段。北斗衛星通信是我國自主研發的短報文通信手段，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、信息無盲區全覆蓋且安全可靠的特點。目前，北斗衛星通信系統已經被大量應用于電力、農業、軍事等各行各業。雖然北斗短報文通信系統能保證地質災害監測系統與外界的通信，但其通信的信息載量少。為此，本文研究通過LoRa自組網實現各個組件間自通信。

1 基礎原理

1.1 地質災害監測系統

地質災害監測系統是以先進的傳感器、通信、數據處理、人工智能等信息技術為基礎，主要由數據傳輸系統、處理系統、采集系統等組成。通過對監測范圍內的地質位移、土壤水分、降水量、溫濕度、水位等地質災害相關信息和氣象信息等進行統一化的監測和管理，構建一套集采集、分析和預警于一體的地質災害監測系統。以此實現對地質災害的精準感知、智能分析、精確預測和主動預警。

1.2 北斗短報文通信

北斗短報文通信是通過北斗衛星實現的雙端全雙工通信，是我國基于北斗導航系統自主研發的獨有功能，能夠通過北斗衛星系統實現信息的接收和發送。傳輸內容可以包含漢字、字母或二者混合，使用便利。北斗短報文通信是基于終端ID編碼進行的，需要通信端擁有獨有的SIM卡，且該卡具有唯一性，能加密通信，有效預防信息泄露；其每次通信帶寬為78 B，通信頻次為1次/min。

1.3 LoRa無線通信

LoRa技術是一種兼具功耗低、通信距離遠特點的無線通信技術。該技術基于CSS調制技術，在保持低功耗的同時極大地擴大了通信范圍，具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，其傳輸距離在郊區空曠地帶可達到15 km；工作頻率采用433 MHz、868 MHz、915 MHz全球免費頻段；調制方式基于擴頻技術和線性調制擴頻，具有前向糾錯能力；它的一個網關可以連接成千上萬個節點；傳輸速度可達10 Kb/s，完全滿足地災信息的傳輸載量。

2 設計方案

2.1 系統設計

應用場景環境為：電力供應和常規通信手段未覆蓋的偏遠地災隱患區域。

需解決的問題：電力供應、內部網絡通信、與外部通信、系統自管理、系統數據處理與自分析。

基于LoRa與北斗短報文通信的地質災害監測系統是一種便于在邊遠欠開發區域實現的的地質災害監測系統。為了實現該方案，將自主設計一套智能通信網關系統。對于各個采集端，通過LoRa無線自組網技術實現各個模塊的信號中繼和數據交互，以及區域信號覆蓋和各個采集端和處理端的數據歸集；處理端收集各個采集端的信息并進行分析，獲得采集故障、預警和異常信息；同時處理端兼具網關功能，通過北斗短報文系統將處理端的預警和異常信息報送至上位機；上位機通過北斗短報文系統下發操作指令和設置更新給處理端，處理端再通過LoRa無線網絡發送給采集端。系統的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統的網絡拓撲結構

本文的地質災害監測系統由感知層、傳輸層和應用層三個部分組成。

感知層：主要負責監測區域內各種環境信息的采集，并對采集的信息進行分析和處理。地質災害監測信息有表面位移、內部位移、浸潤線、降雨量、地聲等。在技術層面上，各種類型的傳感器技術都已經非常成熟，能夠做到精準監測。處理器采集各類型的傳感器數據并解析為可分析數據，各個處理器間通過LoRa無線網絡歸集和分析數據，并將采集故障和異常數據、預警信息通過北斗短報文通信推送至應用層。

傳輸層：分為內部交互層和外部推送層。各個采集處理器間通過LoRa無線網絡進行通信。LoRa無線通信技術具有低功耗、遠傳輸距離特性，能較好地契合地質災害監測點位的布設規律，一個傳感器的單次采集數據流量一般不超過100 B，LoRa無線通信的傳輸速率完全能夠滿足各傳感器間的數據傳輸要求。當處理器進行數據的綜合歸集和分析后，發現采集故障、異常信息或觸發預警值，需要對外機進行推送，或需要在外部對監測系統進行指令下達和設置更新。在邊遠地區的安全可靠、可實現的通信手段只有衛星通信，本系統采用我國自主研發的北斗短報文通信，北斗短報文通信存在傳送速率小的問題，但其通信范圍全覆蓋，能確保感知層和應用層之間信息的交互和通信中繼。

應用層：主要有監控中心和預警端兩部分。監控中心對采集故障、異常數據和報警信息進行處理，及時對各個區域進行預警，同時根據異常信息及時調整和維護設備監測。

2.2 硬件支持

為實現系統功能，需要一個具有數據采集、處理器、LoRa無線通信、北斗短報文通信和電能管理等功能的低能耗硬件單元進行支撐，其硬件設計如圖2所示。

圖2 硬件設計

2.3 軟件邏輯

系統的軟件邏輯如圖3所示。系統上電啟動后，對時間和各個模塊進行初始化；在達到設定的工作時間點時，系統自動喚醒，并進行通信狀態檢查；處理器向下屬各個傳感器下達采集指令并監聽采集信息；通過LoRa無線網絡將數據向中心處理器進行歸集，中心處理器對數據進行對比分析；通過特定協議將要發送的數據編輯為上傳文本，通過北斗短報文系統將數據上傳至應用層；系統進入休眠，等待下一個采集周期時間節點到達時自動喚醒并進行下一個采集處理環節。

圖3 系統的軟件邏輯

2.4 通信協議

為了減少上傳的數據量，設計一種新的數據傳輸協議，協議規則見表1所列。一個監測量的發回須包含以下信息：

表1 數據傳輸協議規則

（1）參數編號：在感知層終端與應用層進行統一，二者通過數據庫方法進行匹配后應用；

（2）狀態符：為減少北斗短報文通信傳輸的數據量，規定回傳的信息都為必須信息，主要分為預報警0、數據異常1、采集異常2；

（3）參數值：在發生預報警和數據異常時需要附帶報警值和異常值。在終端將各個要發回的監測量以78 B為最大值，通過起始符和結束符進行組合形成一次發送量的字符串。

3 結 語

針對邊遠地區無網絡覆蓋的不足，設計一種基于LoRa無線通信和北斗短報文通信的地質災害監測系統。結合LoRa無線通信技術的自組網、長距離傳輸、低功耗的特點以及北斗短報文通信全球廣覆蓋的特點，同時通過終端處理器實現傳感器數據的終端處理和初步分析以及關鍵信息的提取，將分析結果和預報警報送至應用層，減少了上傳數據量。通過更低的建設和運營成本實現了邊遠地區地質災害信息的實時更新，保證了地質災害預報警的及時性。