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集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术

黄正睿 潘淼鑫 陈崇成 李邦训 魏芬娟

黄正睿, 潘淼鑫, 陈崇成, 李邦训, 魏芬娟. 集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
引用本文: 黄正睿, 潘淼鑫, 陈崇成, 李邦训, 魏芬娟. 集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
HUANG Zhengrui, PAN Miaoxin, CHEN Chongcheng, LI Bangxun, WEI Fenjuan. Data Collection and Transmission Technology for Emergency Environment Monitoring Based on Integration of LoRa and BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
Citation: HUANG Zhengrui, PAN Miaoxin, CHEN Chongcheng, LI Bangxun, WEI Fenjuan. Data Collection and Transmission Technology for Emergency Environment Monitoring Based on Integration of LoRa and BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207

集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术

doi: 10.13203/j.whugis20190207
基金项目: 

国家重点研发计划 2017YFB0504202

详细信息
    作者简介:

    黄正睿,硕士,主要从事空间数据挖掘、物联网与空间信息集成技术研究。zhengruihuang@foxmail.com

    通讯作者: 陈崇成,博士,教授。chencc@fzu.edu.cn
  • 中图分类号: P237;TN911

Data Collection and Transmission Technology for Emergency Environment Monitoring Based on Integration of LoRa and BDS

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2017YFB0504202

More Information
    Author Bio:

    HUANG Zhengrui, master, specializes in spatial data mining, internet of things and spatial information integration technology. E-mail: zhengruihuang@foxmail.com

    Corresponding author: CHEN Chongcheng, PhD, professor. E-mail: chencc@fzu.edu.cn
图(10) / 表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2021-04-05

集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术

doi: 10.13203/j.whugis20190207
    基金项目:

    国家重点研发计划 2017YFB0504202

    作者简介:

    黄正睿,硕士,主要从事空间数据挖掘、物联网与空间信息集成技术研究。zhengruihuang@foxmail.com

    通讯作者: 陈崇成,博士,教授。chencc@fzu.edu.cn
  • 中图分类号: P237;TN911

摘要: 针对灾后快速应急响应体系中常规无线传感网节点间通信距离短及前后端远程通信过分依赖地面基站的问题,设计并实现了基于远程无线传输技术(long range wireless transmission technology,LoRa)与北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的应急环境监测系统。该系统将无人机作为应急设备的承载平台,通过中继节点将采集的环境参数传递给搭载北斗模块的网关节点。经由BDS,用户可使用手持应急终端实时获取并接收所采集的环境监测数据。测试结果表明,该系统在通信间距为8 km的条件下,实现了不同环境中数据的实时采集与可靠传输,城区测试环境下北斗短报文丢包率仅为7.450%,山区测试环境下为18.395%,因此在常规通信网络缺失或阻断条件下具有一定的应用价值。

English Abstract

黄正睿, 潘淼鑫, 陈崇成, 李邦训, 魏芬娟. 集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
引用本文: 黄正睿, 潘淼鑫, 陈崇成, 李邦训, 魏芬娟. 集成LoRa与BDS的应急环境监测数据获取与传输技术[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
HUANG Zhengrui, PAN Miaoxin, CHEN Chongcheng, LI Bangxun, WEI Fenjuan. Data Collection and Transmission Technology for Emergency Environment Monitoring Based on Integration of LoRa and BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
Citation: HUANG Zhengrui, PAN Miaoxin, CHEN Chongcheng, LI Bangxun, WEI Fenjuan. Data Collection and Transmission Technology for Emergency Environment Monitoring Based on Integration of LoRa and BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(4): 530-537. doi: 10.13203/j.whugis20190207
  • 大规模的自然或人为灾害除了破坏环境、造成巨大的生命财产损失外,往往还会损坏灾区基础通信设施[1],导致基于蜂窝移动网络的通信设备丧失功能,后方救灾人员无法第一时间进入现场获取灾区基本环境信息并制定相应救援策略。目前,无线通信与组网技术虽已广泛应用于环境监测领域,但是仍存在无线传感网节点间通信距离短(如Zigbee、WiFi技术)、无线传感网与服务器之间的远程通信过分依赖地面基站的问题[2-5]。针对节点间通信距离短的问题,刘强强等[6]设计了基于远程无线通信技术(long range wireless transmission technology,LoRa)的大气环境监测系统,但该系统只适合部署于城区; 金光等[7]设计了基于LoRa的海岛水环境监测系统,但该系统无法执行远程监控任务; Lavric等[8]讨论了LoRa广域网(LoRa wide area network,LoRaWAN)的应用现状、发展趋势、潜在的挑战及解决方案。针对传感网与服务器通信依赖地面基站的限制,李成杰等[9]利用兼备通信与定位功能的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)实现了复杂林区环境信息的远程监测,为基于北斗技术的环境监测提供了基础; 郑一力等[10]基于北斗卫星短报文技术,设计并开发了一种林区气候的远程监测系统,实现了无手机信号林区生态系统参数的实时监控; 石小亚等[11]将北斗卫星通信技术运用于玉树地震灾区,实现了远程灾后应急响应。因此,综合现有的超远程无线传输技术与北斗导航系统特有的短报文通信技术,实现快速的灾后应急信息的远程获取、传输和聚合,对灾后应急响应至关重要。

    为了实现灾后快速应急环境监测,克服节点间通信距离短、前后端远程通信依赖基站的问题以及上述环境监测系统的不足,本文设计并实现了一种集成LoRa技术与BDS的应急环境监测系统。该系统充分利用LoRa易组网、远距离通信、低功耗的优势和北斗全天候、全覆盖通信的特点,将无人机作为系统应急通信设备的承载平台,实现了蜂窝移动网络缺失情况下对环境参数的实时远程监测。此外,系统的各个节点选择了基于Contex-M4内核的STM32系列低功耗芯片作为主控芯片,具有功耗低、成本低、实用性高及拓展性强的优点。

    • 应急环境监测系统包括空中应急信息获取与传输单元和地面手持应急移动单元,系统结构如图 1所示。其中,应急信息获取与传输单元由采集节点、中继节点及网关节点组成,采用无人机作为各个节点的承载平台,用户可根据具体需求与条件动态地部署各个节点的位置,而地面手持应急移动单元由手持应急终端组成。采集节点搭载有温湿度、压强、光照强度传感器、低功耗微控制单元(micro control unit,MCU)及LoRa通信模块[12],组成低功耗便携式的采集设备; 中继节点由低功耗MCU及LoRa通信模块组成,实时地将接收到的数据包转发给网关; 网关节点由低功耗MCU、LoRa通信模块与北斗通信模块组成。

      图  1  系统结构

      Figure 1.  System of Structure

      应急环境监测系统的工作模式为: (1)多个采集节点通过LoRa模块将数据发送给中继节点,而中继节点负责把数据转发给网关节点; (2)网关节点将接收到的数据打包并转换为北斗短报文的通信格式,再通过北斗卫星将短报文传输给远程后台; (3)后台通过自主研发的手持应急终端实时地监听并接收北斗短报文消息。基于上述工作模式,后方救灾人员能够快速、实时地了解受灾情况和灾区环境变化,及时制定抢险救灾方案,因此该系统能为发生大规模人为或自然灾害的地区,尤其是蜂窝移动网络瘫痪或阻断的灾区,提供一种全新且可靠的灾后应急环境监测与应急响应方案。

    • 采集节点主要承担环境数据的采集与传输任务,包括传感器模块、主控制器模块、无线通信模块及电源管理模块,如图 2所示。

      图  2  采集节点硬件结构

      Figure 2.  Hardware Structure of Acquisition Node

      为了达到低功耗、低成本的设计目的,采集节点选择基于Contex-M4内核的STM32作为主控芯片。该主控芯片集成浮点运算指令和数字信号处理指令,具有192 kB的静态随机存取存储器、1 024 kB的闪存、112个通用输入/输出(Input/Output,IO)口等丰富的设备资源,并选择待机模式作为设备的低功耗模式。同时,为了达到易组网和远距离通信的目的,无线通信模块选择泽耀科技的AS62-T30,一款基于Semtech公司的SX1278射频芯片开发的、工作频段为410~441 MHz的LoRa扩频传输串口数传模块[13],参考通信距离为8 km,实际应用中工作距离可达10 km,且带有前向纠错功能。此外,AS62-T30还支持LoRaWAN协议[14],可以构建LoRa星型网络拓扑结构[15]

    • 中继节点的硬件设计与采集节点大致相同,唯一不同的是,中继不具有采集数据的功能(不搭载环境参数传感器),只执行数据的转发。中继节点的硬件包括主控制器模块、无线通信模块及电源管理模块,如图 3所示。

      图  3  中继节点硬件结构

      Figure 3.  Hardware Structure of Relay Node

      中继节点通过LoRa无线通信模块接收采集节点发送的数据,经主控制器模块对数据进行处理后,再通过LoRa无线通信模块将数据转发给网关节点。本文在LoRa星型网络拓扑结构的基础上,利用LoRa工作频段广的特点,提出并构建了带有中继的线型网络拓扑结构。

    • 网关节点的硬件包括无线通信模块、主控制器模块、北斗短报文模块及电源管理模块,如图 4所示。网关节点通过LoRa无线通信模块接收中继发送的数据,经主控制器将接收到的数据包转换为北斗短报文的格式,再通过北斗短报文模块将短报文发送给后台的手持应急移动终端。

      图  4  网关节点硬件结构

      Figure 4.  Hardware Structure of Gateway Node

      网关节点的无线通信模块和主控制器模块均采用与采集节点相同的模块产品。为了达到全覆盖、无盲区通信的目的,网关节点上的北斗短报文模块选择由福建福大北斗通信科技有限公司开发的FB3154超小型卫星无线电定位系统(radio determination satellite system,RDSS)收发板卡。该收发板集成了北斗射频收发芯片、功放电路及基带电路等,不仅实现了北斗的RDSS收发功能与定位功能,还方便手持应急终端实时显示与分析各节点的地理位置。由于北斗通信卫星已经覆盖亚太地区,在全国范围内做到无盲区通信,因此在蜂窝移动网络瘫痪或阻断的灾区,可以利用北斗短报文解决应急通信的问题。

    • 为了实现地面通信阻断情况下可靠的应急环境监测,本文设计了能够提高应急数据传输稳定性的轮询算法,如图 5所示。该算法首先执行系统中断优先级设置,初始化IO口、轮询标志位、抢占优先级等操作。随后,系统进入“while”循环,不断监听串口,判断串口是否发生接收中断,若发生中断,则通过判断消息前导码中的接收设备地址“ID”决定是否接收当前消息。系统通过上述消息过滤机制,可以根据消息字段中的设备编号将接收正确的消息缓存进不同的消息列表,并调用C标准库中的“sprintf”函数,将接收到的消息转化为北斗短报文十六进制ASCII格式,而消息中的校验和是北斗短报文“$”到“*”之间异或运算的结果,计算式为:

      $$ A\oplus B=\left\{\begin{array}{c}0, A=B\\ 1, A\ne B\end{array}\right. $$ (1)

      图  5  轮询算法流程图

      Figure 5.  Flowchart of Polling Algorithm

      式中,$ \oplus $表示异或运算; AB表示异或运算的对象,$ A, B\in \left\{\mathrm{0, 1}\right\} $。最后,系统通过判断轮询标志位,选择发送与之对应设备编号的消息。此外,该系统为了实现消息的丢包重传机制,在发送北斗短报文后,需等待手持应急终端的应答信号。若未接收到应答信号,则视为系统发生丢包,需要根据轮询标志位再次发送当前消息列表内的最新消息。当同一设备编号的消息出现连续丢包的情况,累计达到一定次数后,系统将会优先执行下一设备编号的消息发送。系统完成一次北斗短报文的成功发送或丢包检测后,均需对轮询标志位执行自加运算,并检验轮询标志位f是否超出设备编号的阈值,计算式为:

      $$ f=\left\{\begin{array}{c}f+0, \mathrm{发}\mathrm{送}\mathrm{失}\mathrm{败}\mathrm{且}{C}_{\mathrm{I}\mathrm{D}}\le \epsilon \\ f+1, \mathrm{发}\mathrm{送}\mathrm{成}\mathrm{功}\mathrm{或}{C}_{\mathrm{I}\mathrm{D}}>\epsilon \end{array}\right. $$ (2)

      式中,$ {C}_{\mathrm{I}\mathrm{D}} $为累计发送失败的次数; ε为阈值。

      运用上述轮询发送机制,使手持应急终端按照设备编号的顺序依次接收采集的环境参数。此外,设计的数据缓存机制不仅使采集的数据不会丢失,而且起到丢包后补发的作用,保证了数据传输的可靠性。

    • 系统选用的无线LoRa模块仅支持LoRaWAN协议,不支持中继功能[16]。为了使该无线LoRa模块具有中继的功能,本文利用频分复用技术,将模块的工作频率划分为间隔1 MHz的若干个子信道,每一个子信道传输一路信号。

      由于通信过程中使用同一个信道进行数据包的接收与发送,常常会造成信道堵塞,从而导致数据包的丢失或数据位错乱[17],因此需要非常精确的时隙控制,才能做到使用同一信道进行数据包收发。为了避免复杂的时隙控制,该系统使用相同带宽(1 MHz)的不同子信道分别进行数据包的接收与发送,即跳频通信技术。例如,完成一次数据包的接收后,接收信道N关闭,系统通过改变无线LoRa模块的MD0、MD1引脚的电平,将模块的发送信道M($ M\ne N $)打开并转发数据包,从而避免了信道阻塞、数据错乱、数据包丢失等问题。通过上述方法,系统实现了基于LoRaWAN协议的无线LoRa模块的中继功能,从而构建了带有中继的星型-线型网络拓扑结构,如图 6所示。其中,采集节点与中继节点之间为星型网络拓扑结构,中继节点与网关之间为线性网络拓扑结构。

      图  6  星型-线型网络拓扑结构

      Figure 6.  Star-Line Network Topology

    • 系统的北斗短报文通信模块选用FB3154超小型RDSS收发板卡,它使用美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association,NMEA)协议框架。该协议通过全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)接收机发送信息,默认支持NMEA0183协议,协议框架如图 7所示。

      图  7  NMEA协议框架

      Figure 7.  Framework of NMEA Protocol

      在NMEA协议框架的基础上,通过自定义用户数据段,规定数据段中各参数的内容、比特数及排列顺序,设计出适用于该应急系统的北斗传输协议,如图 8所示。

      图  8  应急北斗传输协议

      Figure 8.  Emergency Transmission Protocol of BeiDou

      基于NMEA通用协议可知,短报文以“$”符号开头,不同字段之间用“,”分割,以“*”符号作为用户数据段结尾,计算两位检验和后,以〈CR〉〈LF〉结束短报文[18]。由于民用北斗集成电路(integrated circuit,IC)卡的北斗数据包长度限制为124 bytes,所以除去北斗数据包的包头起始符、地址段占有的20 bytes及北斗数据包的包尾校验位、结束序列占有的5 bytes(不占长度限制),实际的用户数据容量为104 bytes。本文通过调查可知,104 bytes的用户数据容量可以容纳多达10种环境参数[19],包括温湿度、压强、光照强度、土壤含水率等参数,用户可以根据所选取的环境参数,自定义北斗短报文的数据格式。北斗短报文支持数字、汉字和混合3种传输方式。本文出于易扩展的目的,选择以混合的方式进行北斗短报文通信。以一个北斗数据包中自定义8种参数的用户数据为例,设备编号及基本环境参数的信息编码示例如表 1所示。用户可以根据不同行业的实际需求,选择适合的传感器,使用系统预留的可插拔接口,结合数据压缩技术,充分利用104 bytes的用户数据容量。

      表 1  基本环境参数信息编码示例

      Table 1.  Example of Information Coding of Basic Environmental Parameters

      字段名称 字节数/bytes 参数内容 短报文编码
      设备编号 2 01 0x30 0x31
      温度 5 32.45 ℃ 0x33 0x32 0x2E 0x34 0x35
      相对湿度 5 65.68% 0x36 0x35 0x2E 0x36 0x38
      压强 7 1 008.45 mbar 0x31 0x30 0x30 0x38 x2E 0x34 0x35
      光照强度 7 5 689.20 Lx 0x35 0x36 0x38 0x39 x2E 0x32 0x30
      经度 10 81.349 122°E 0x38 0x31 0x2E 0x33 0x34 0x39 0x31 0x32 0x32 0x45
      纬度 10 43.964 149°N 0x34 0x33 0x2E 0x39 0x36 0x34 0x31 0x34 0x39 0x4E
      高程 4 24.8 m 0x32 0x34 0x2E 0x38
    • 本文选取城区及山区两种不同的典型地理环境,对所设计的基于LoRa与北斗卫星通信技术的应急环境监测系统进行软硬件测试。测试中系统各节点的分布情况如下: (1)采集节点与网关节点部署在地面; (2)中继节点部署在无人机上; (3)手持应急终端部署在地面。

      针对城区地理环境,选取福州市福州大学及附近地区(119°11′33.40″E,26°03′31.80″N)作为系统测试的试验区,测试节点分布与实景布置如图 9所示。该地区人口密集、建筑物分布均匀但通视良好,符合城区的基本特征。测试过程中,无线LoRa模块的波特率设置为9 600 bit/s,空中速率设置为2.4 kbit/s,前向纠错设置为打开; 北斗通信模块的波特率设置为115 200 bit/s,北斗短报文发送间隔1 min,测试结果如表 2所示。

      图  9  城区测试节点分布与实景布置

      Figure 9.  Distribution of Test Nodes in Urban Area and Real Scene

      表 2  城区北斗短报文通信测试结果

      Table 2.  Test Results of BeiDou Short Message Communication in Urban Area

      测试序号 节点间通信间隔/km 发送报文数 接收报文数 丢包率/%
      1 8 101 100 0.990
      2 8 178 177 0.562
      3 8 190 157 17.368
      4 8 216 203 6.019
      5 8 213 196 7.981
      6 8 341 289 15.249
      7 8 290 273 5.862
      8 8 294 278 5.442
      9 8 122 110 9.836
      10 8 135 124 8.148
      11 8 182 170 6.593
      12 8 85 83 2.353
      13 8 106 97 8.491
      14 8 176 162 7.955
      15 8 132 125 5.303
      16 8 208 185 11.058

      针对山区型地理环境,选取新疆伊犁河流域阿西金矿尾矿区及周边地区(81°37′30.53″E,44°14′46.45″N)作为系统测试的试验区,测试节点分布与实景布置如图 10所示。该地区地形地貌复杂,金属尾矿矿坝较多,属典型的山谷型尾矿库,其中阿西金尾矿坝坝体高为38 m,一旦溃坝容易造成大规模自然灾害。测试过程中,无线LoRa模块的波特率设置为9 600 bit/s,空中速率设置为2.4 kbit/s,前向纠错设置为打开; 北斗通信模块的波特率设置为115 200 bit/s,北斗短报文发送间隔1 min,测试结果如表 3所示。

      图  10  山区测试节点分布图与实景布置

      Figure 10.  Distribution of Test Nodes in Mountain Area and Real Scene

      表 3  山区北斗短报文测试结果

      Table 3.  Test Results of BeiDou Short Message Communication in Mountain Area

      测试序号 节点间通信间隔/km 发送报文数 接收报文数 丢包率/%
      1 8 80 47 41.250
      2 8 78 59 24.359
      3 8 90 77 14.444
      4 8 101 84 16.832
      5 8 122 102 16.393
      6 8 89 70 21.348
      7 8 85 66 23.750
      8 8 94 81 13.830
      9 8 42 31 26.190
      10 8 85 71 16.471
      11 8 83 73 12.048
      12 8 128 103 19.531
      13 8 160 143 10.625
      14 8 75 68 9.333
      15 8 89 75 15.730
      16 8 103 89 13.592

      测试结果表明,采集节点、中继节点、网关节点及手持应急终端在城区与山区环境下均正常稳定工作,但系统整体可靠性取决于LoRa与北斗模块的工作环境。采集节点的无线LoRa模块在8 km通信距离下,可实时地向中继节点传输采集的环境参数; 中继节点的无线LoRa模块在8 km通信距离下,可实时地向网关节点转发采集的环境参数; 北斗短报文在城区测试环境下平均丢包率为7.450%,在山区测试环境下平均丢包率为18.395%,可见城区环境下系统整体丢包率明显低于山区。

      通过对比系统在不同测试环境下的结果,并结合北斗通信技术及LoRa通信原理可知,系统丢包率与北斗短报文模块天线摆放位置、天线所接收到的北斗卫星波束的数量、波束强度及LoRa所处工作环境有关。由于城区内北斗短报文模块可接收到的北斗通信卫星数量为3~5,波束数量为6~10,且LoRa通视条件良好,而山区内所能接收到的北斗通信卫星数量仅有1~2,波束数量为2~4,LoRa通信信道受地形干扰影响,导致接收的信号强度指示有所下降。

    • 本文提出了集成远程无线传输与北斗卫星导航通信技术的应急环境监测系统,提升了环境监测传感网的覆盖率,解决了前后端远程通信链路不稳定的问题。该系统通过结合LoRa易组网、远距离通信、低功耗的优势和北斗卫星全天候、无盲区通信的特点,实现了不同环境下应急环境参数的实时监测。测试结果表明,该系统成功构建了基于LoRa的星型-线型网络拓扑结构,在城区测试环境下,北斗短报文平均丢包率仅为7.450%,在山区测试环境下,北斗短报文平均丢包率为18.395%,后台的手持应急终端可以实时监听并正确解析北斗短报文,实现了应急环境监测数据的可靠传输。该监测系统相较于传统的灾后应急响应系统,对现代灾后应急响应工作有着极大的推动作用,主要表现为应急部门可通过无人机搭载应急设备快速进入救灾现场,实时监测、采集灾区的环境信息,从而方便后方救灾人员根据获取的信息及时制定应急方案、开展抢险救灾工作,因此具有重要的推广价值。

参考文献 (19)

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