LoRa通信技术在井下数据采集系统中的应用

魏灵恩

（山西大同大学 物理与电子科学学院，山西 大同 037009）

0 引 言

随着我国能源消费水平的迅速提高，各种能源资源日益紧张，地下自然资源开采规模也随之进一步扩大。在石油、煤矿以及天然气等自然资源的开发中，保障井下安全是各项生产活动的重中之重。当前，多数矿井和油井运用实时监控系统监控井下作业环境，并通过各项重要环境参数的采集反映井下实时状态，保障生产安全和作业效率的提高。从技术上看，当前井下数据采集系统具备多种实现方式，其结构不同，原理各异，基本可以满足小型矿井的监控需求。然而，这些采集系统普遍存在采集效率低、数据传输不可靠、结构复杂以及通信距离短等问题。LoRa是近年开始流行的一种新兴通信技术，具备通信距离远、抗干扰能力强与功率低等优点，受到许多系统集成企业的青睐。笔者对LoRa通信技术在井下数据采集系统的应用展开全面分析，并提出一种可靠且具有较高实际应用价值的LoRa井下数据采集方案。

1 LoRa通信技术的特点

LoRa通信技术建立在已发展成熟的数字扩频技术、数字处理技术和前向纠错编码技术等传统无线电调制解调技术的基础之上，它不但吸收了上述技术的众多优点，还有着自身的明显优势，性能相较传统的调制解调技术有了很大的进步。在同一性能要求前提下，LoRa通信技术需要的功耗远远低于传统技术，且可以满足长距离传输，避免中继设备的引入，在成本上做到很好的控制，因而在各数据采集和监测系统中得到了极为广泛的应用[1]。从技术上看，LoRa通信技术主要具有如下特点。

1.1 传输距离远

传输距离与系统的带宽利用率、信噪比、发射功率以及环境条件等因素息息相关，为实现对上述因素的有效控制，LoRa通信技术采用当前较先进的扩频通信方案，促使有限的通信带宽资源发挥出了更大的效用，有效改善信噪比，进一步提高信号质量，从而使信号的传输距离变得更远。传统RF无线发射技术可达到的信号传输距离通常为1～2 km，如需要进一步提高传输距离，必须增加中继设备，导致系统开发成本大大提高，也不利于系统维护。在相同条件下，LoRa通信技术可将信号传输距离提高到5 km，无需任何中继设备的支持，这是传统众多通信技术无法实现的优异性能。

1.2 传输功耗低

LoRa通信技术在原理上和硬件结构设计上皆进行许多优化，其中，扩频调制技术的采用使其应用设计变得十分灵活，可靠性得到有效提高，即使在噪声水平达20 dB环境下,通信质量和性能仍基本未受到影响，继续保证可靠的联网。在LoRa通信系统中，由于LoRa的传输速率主要取决于扩频因子的大小，只要对其进行相应的调整就能够轻易实现速率的改变。LoRa的发射功率也远小于传统技术，在低功耗的性能方面具有独特优势。

1.3 抗干扰性强

扩频通信技术本身具备较好的抗干扰能力，可将有限的带宽资源通过扩频的方式进一步提高其利用率。LoRa技术充分吸收扩频通信技术的这一优点，并进一步提升自身的抗干扰能力。其抗干扰原理为：利用接收机对信号进行解扩处理，后再将其还原，在此过程中可有效避免干扰信号的作用。LoRa通信技术在远距离传输方面的优势，在很大程度上也是得益于其超强的抗干扰能力，可保证在长距离传输中信号不失真。

2 LoRa通信技术的原理

在当前物联网迅速发展的背景下，LoRa技术的成功应用为物联网的发展增添活力。LoRa技术通过充分发挥前向纠错编码和扩频调制技术的作用，使自身通信性能得到质的提升。其中，前向纠错编码技术可以在待发送数据流中插入冗余字节，这些字节直接反映原数据的关键特征，一旦数据出现错误，接收方便可通过这些冗余码及时发现并纠错，从而保证信号传输不会出错。LoRa技术可以保证传输到数字扩频调制器中的信号均为高质量信号。扩频调制设备则计算出当前最优的扩频因子，对输入数据进行传输，使有限的带宽资源得到最充分的利用。数据传输到接收端后进行相反的运算过程即解调，达成远距离、低功耗和大容量传输的目的[2]。

3 LoRa数据采集系统的设计与实现

3.1 总体设计与器件选型

笔者提出一套基于LoRa通信技术的井下数据采集系统，做到大量高性价比的模块单元的集成，实现井下数据的高效采集。该系统主要由采集模块、电源模块、低功耗处理器、LoRa通信模块、GPRS模块以及输入输出接口等部分组成。

其中，LoRa无线通信模块是系统的核心，其型号既要满足数据采集要求，又不能过多地浪费芯片内部资源。在综合考虑后，系统选用SX1276芯片。该芯片在长距离通信方面有着极为突出的性能，且在抗干扰能力和低功耗方面也都明显优于同类器件。经过多年的发展，SX1276芯片已成为一款灵敏度高、相位噪声小、选择性好以及线性度好的无线通信模块[3]。

系统的数据传输以SX1276芯片为核心，而系统的数据采集则以MSP430单片机为核心。MSP430是一款应用广泛的通用型高性能单片机产品，具备速度快、低功耗以及内部资源丰富等特点。单片机在整个系统中发挥着“指挥中心”的作用，负责对所有传感器发号施令。现场传感器统一采用工业标准的模拟电流信号，大小为4～20 mA，在转化为电压信号后经由485串口传入单片机进行处理。

3.2 系统硬件设计

网络结构是系统的通信框架，对数据传输性能有着关键的影响。考虑到数据采集系统通常存在一定的延时，且会用到大量的网络设备，笔者构建一种以LoRa为核心的星形网络结构，LoRa与各单元模块之间的通信可以做到灵活高效，且由于其通信距离较远，无需额外加装中继器，大大简化系统结构。系统总体结构如图1所示，LoRa通信模块和GPRS无线传输模块集成在一起，构成传输性能更加优越的数据集中器，可同时建立多条通信链路（图1中仅画出其中一条），起到数据收集和统一传送的作用。单片机则通过内部指令控制各采集模块接收传感器数据，再将其发送至LoRa模块，后被调制为LoRa信号，在Arduino平台上向数据集中器汇集，运用集中器对信号进行解调，并由GPRS模块借助通信4G无线网络发送出去，信号最终从无线网络接入互联网，并汇总到云平台。用户可通过web或app访问云端的参数，实现对天然气井的远程监控。

图1 通信网络结构

3.3 系统软件设计

软件设计是系统设计的核心组成部分，决定硬件系统的工作方式和系统运行效率。单片机上电后首先会初始化自身的各种资源，使寄存器、定时器等资源恢复到原始状态，清除无用数据，准备正式工作。之后，准备就绪的单片机会向各采集模块发出数据采集命令，现场采集模块在接收到命令后，会执行数据采集任务，并将数据按原通信链路返回，单片机则根据通信链路的不同区分数据的来源，并对数据做好存储。经过简单的有效性判断后，数据将传送至LoRa通信模块，LoRa对接收到的数据实施调制，然后由GPRS模块调用相应的函数将数据发送出去，形成了一个完整的数据采集过程。在单片机的控制下，系统会以一定的周期采集数据，源源不断地为上位机提供原始数据，保证用户实时掌握井下状态。

该系统的特点在于引入了系统休眠机制。考虑到采集模块长期处于井下环境，有时仅需要周期性采集井下数据即可，在不采集期间，电路大部分时间处于空闲状态，此时可将系统切换为休眠状态，最大程度减少系统的损耗。

4 结 论

LoRa技术作为一种新兴的无线通信技术，是基于传统的Zigbee、Wi-Fi以及蓝牙等无线物联网技术的一次革命性进步，使无线通信在现场数据采集领域中的应用更加广泛。LoRa技术具备的优势与我国地下自然资源开发的发展方向相符，具有十分广泛的市场前景。不难预测，LoRa技术在继续加强远距传输、误码率低、抗干扰等性能的同时，也将不断改善速率低、容量小以及实时性差等问题，以满足日益发展的井下数据采集要求，并不断朝向大型物联网应用平台挺进，成为未来物联网中的核心通信组件。