基于LoRa集成北斗通信技术的应急响应设计与实现

尹小俊，陈崇成，李瑞兴，王凤姣

(1.闽江师范高等专科学校计算机系，福建 福州 350108；2.物联网福建省高校应用技术工程中心，福建 福州 350108；3.福州大学数字中国研究院，福建 福州 350108)

0 引言

应急通信是指在自然灾害或公众事件的紧急状态下，提供的一种暂时稳定、快速响应的通信方式作为支撑，从而满足现场信息交互的即时需求.当前，对于自然或人工灾害等应急类场景，通常需要运营商的应急保障车现场搭建微型通信基站，通过无线技术实现移动用户的接入.但基站与保障车需在一定距离内维持有线连接，以持续供电确保通信链路的可靠性，具有应用局限性[1].因此，如何克服应急场景恶劣的通信环境，创新应急通信方法成为当前研究的主要趋势[2-3].

近年来，为满足社会发展需求，无人机的市场由原先的军用级逐渐拓展至行业级、消费级，小型无人机系统的推广，使其功能按需求定制成为一种可能[4-5].低功率广域网(low-power wide-area network，LPWAN)技术凭借低功耗、远距离与广覆盖等优势特别适合城市级物联网应用，改变传统依赖于基站中继的信息收集与传递方式，能够快捷、方便地实现区域的覆盖与远距离传输[6-8].

应急环境通常存在基站损坏、区域弱覆盖等现象，基于蜂窝的移动通信系统及无线网络无法正常工作[9].与地面基站通信不同，卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站所提供的通信服务，工作稳定且不易受自然灾害影响，特别适用于应急场景[10].我国自主研发的北斗通信系统近年得到了快速的发展，北斗卫星全天候、无盲区的工作特点提供可靠性较高的定位、导航及通信服务，稳定性较好的北斗短报文功能有效地解决了通信网络的覆盖问题[11-12].目前，基于北斗短报文的通信功能在生态环境监测[13]、海洋地质[14]、气象预警[15]等行业已广泛应用.

本研究从应急场景的信息需求出发，以数据处理与传输方法为研究重点，使用传感器采集、GPS定位、LPWAN传输、北斗短报文通讯等核心技术，集区域环境数据采集与远程传输为一体的感知传输系统，为应急救援工作提供高效、准确的信息获取方式，更好地推进应急通信的多元化建设.

1 设计方法

1.1 总体架构

图1 通信系统结构Fig.1 System of communication architecture

研究以物联网经典架构为基础，提出一种新型通信组合方法，结构上以感知终端为采集节点，负责区域环境数据采集，采用LoRa技术进行数据传输；汇聚终端作为网关实现节点数据汇聚，并集成北斗通信技术实现远距离通信.通信系统结构如图1所示.

1.2 感知节点与汇聚终端

应急场景下，无人机搭载感知节点执行区域环境数据采集、传输并汇报节点位置以便后台定位跟踪，结构如图2(a).汇聚终端完成感知节点数据的接收、归类与备份，集成北斗模块实现远距离通信.终端集成LoRa与北斗两大传输模块，分别用于节点网内传输与服务端远程通信，如图2(b).汇聚终端嵌入GPS模块，通过地理位置信息为无人机的路径规划提供依据.

图2 硬件结构框图Fig.2 Block diagram of the hardware

1.3 关键技术

近年来，以LoRa为典型低功耗广域网技术的出现，解决了以往无线通信领域中通信距离与功耗的矛盾[16]，它在相同功耗的条件下比其他无线方式传输距离更远，无障碍的最佳通信距离可达20 km.不同于目前主流的频移键控(frequency-shift keying，FSK)机制的无线通信系统，LoRa基于chirp[17-18]扩频调频调制方式，突破了传输距离和功耗的限制，呈现了真正意义上低成本、低功耗与长距离的全新通信技术，逐渐在灯控[19]、泊车[20]、电力[21]等领域得到应用.

北斗短报文的通信、位置上报、应急报警等功能较好地适应户外环境，可在应急救援、抢险救灾、森林巡检等行业提供服务.实际应用可在应急场景的关键区域部署一定数量感知节点，优化部署策略，使用一个网关实现节点数据的汇聚，最终通过北斗短报文功能完成协议报文的远程上传.

2 实现过程

2.1 感知节点电源

图3 感知节点电源方案Fig.3 Power supply scheme of sensory node

以往节点使用碱性电池等供电方案，多为一次性使用耗材，回收利用存在一定困难，且存在环境污染风险.本节点采用锂电池对主板持续供电，兼容移动电源与太阳能电池充电接口，如图3所示，供电系统分为降压与升压两模块.其中，3.3 V-A对主控系统及指示、报警等模块供电，3.3 V-B作为备用电源在LDO模块失效后能快速接入.同时，LoRa宽电压特性支持2.5～5.5 V电源，故设计3.3 V-C满足LoRa模块调试.此外，升压模块的5 V与12 V可用于传感器供电调试.

2.2 GPS定位与LoRa传输

为获取感知节点地理位置，节点配置中科微ATGM336H定位模块，如图4所示.图4中U201接入独立可控的3.3-B电源供电，在引脚VBAT上预留纽扣电池防止主电源供电失效.LoRa模块选型无线串口AS62-T30，数据收发长度达256 B.图4中U205引脚MD0、MD1与MCU通过高低电平输入实现模块的正常、唤醒及休眠模式，引脚AUX可输出不同时长的高低电平，用于无线收发工作指示.

图4 定位与传输模块电路Fig.4 Circuit of location and transmission module

2.3 感知节点任务流程

感知节点的任务流程，划分为接口资源初始化、传感器驱动、GPS数据解析、数据融合、LoRa无线传输等，如图5所示.感知节点上电后启动状态自检，其数据采集与传输过程独立进行，采集周期通过指令实时可控.为实现“采发独立”，节点数据包生成周期约3 s，适应北斗短报文1 min的发送周期要求，合理设置图5定时时间，启动LoRa初始化配置，将备份区内最新采集的节点数据包传输至汇聚终端.

图5 感知节点事件流程Fig.5 Event flow of sensory node

2.4 北斗通信与协议设计

汇聚终端的北斗通信是实现感知层与应用层链接的唯一通道.模块采用福大北斗自研的北斗短报文一代FB3154.设计图6电源管理D与E供电并调试，分别满足北斗通信的收发功能.

图6 北斗电源电路与通信调试Fig.6 Power circuit of Beidou and communication debugging

感知节点的数据通过北斗模块的短报文实现远程传输，应遵循北斗2.1版本的接收机协议，需配备北斗通信卡获取授权，系统采用民用领域三级卡，短报文长度限制为78.5 B，如图7所示.结构包含一、二、三级字段，一级字段为北斗协议标准，占5 B，起始符与结束符分别以‘$’、‘*’固定填充，中间字段用‘,’分隔，校验码是将‘$’与‘*’间字节(含分隔符)异或运算以确认报文可靠性；二级字段中控制指令通过串口下发数据采集、传输等任务，目的地址为接收方的通信地址，传输方式选择汉字与字符混合制；三级字段为节点数据包，根据需求自定义设计.表1示例，报文仅占39 B，由于北斗短报文的发送周期最小间隔为1 min，为提升通信效率，可设置每条短报文含2条节点数据，共占68 B，符合长度限制.

图7 协议设计Fig.7 Design of protocol

表1 数据报文示例

3 测试分析

3.1 测试方案

图8 测试总方案Fig.8 Scheme of general test

受限于环境测试与资源分配等因素，本次研制设备数量为3台.其中，感知节点2台(编号01、02)，分别定义为感知层数据获取与传输层中继接力；汇聚终端1台(编号03)，定义为网关节点，完成远程北斗通信.测试分为地面与空中两个阶段，执行线性传输方式，测试总方案如图8所示.

3.2 地面测试

地面通信测试选取福州市橘园洲特大桥、浦上大桥与湾边大桥，可视直线范围内无明显障碍物，设置两类方案进行通信效果测试，具体如下.

方案一： 节点01与节点03布放于橘园洲大桥，相距约500 m；节点02布放于浦上大桥，与节点01相距约3.6 km，与节点03相距约3.2 km，部署如图9(a)所示.

方案二： 节点01与03布放于橘园洲大桥，相距约500 m；节点02布放于湾边大桥，与节点01相距约7.9 km，与节点03相距约7.5 km，部署如图9(b)所示.

图9 部署与测试Fig.9 Deployment and test

节点01生成节点数据包，通过LoRa发送至节点02的LoRa接收，并转发至节点03，通过北斗模块发送至北斗移动终端.经随机报文测试可知，节点与终端LoRa线性组网，在3.0～4.0 km通信距离内无丢包与延迟.表2为方案一测试结果，定点距离检测功率，均可收到4个波速信号强度.后台可实时接收并解析报文，在3.6 km的通信距离内，报文收包比可达100%，具有较高的稳定性.

表2 方案一测试

方案二转发机制与方案一相同，但节点02与节点03接收数据包后，都将解析并添加本机传感器数据与地理位置信息，封装后再执行转发，测试结果列于表3，执行协议报文测试时，距离延长致使北斗模块驱动力减弱，收包比降至54.01%.同时，LoRa线性传输在此边缘距离内，节点均会出现不同程度的丢包现象.

表3 方案二测试

3.3 空中测试

空中测试选取福州大学国家大学科技园1号楼前广场.考虑实际载重与挂载安装情况，无人机选型大疆精灵.节点01、节点03与北斗移动终端布放至广场圆台中央，节点02挂载至无人机上进行升空测试，如图10(a).无人机于科技园内1号楼前广场起飞，依次升空距地面节点的空间距离为0.5、1.0、1.5、2.0 km处进行传输测试，执行地面测试方案二数据转发机制.以过半收包率作为最大通信距离标准，定点间隔距离处执行10条数据包的收发测试，如图10(b).可知： 受无人机天线干扰，当节点02的LoRa天线放置在无人机顶端天线中间时，节点间最大通信距离约为1.0 km；当天线放置在封装壳体底部时，最大通信距离约为1.5 km；当天线放置于无人机升降架上，由于无人机续航限制，实测节点距离在2.0 km内，获得较好通信效果.同时，LoRa天线置顶或置底时，空中通信若超出上述距离，节点会出现较为严重的丢包现象.

图10 部署与升空测试Fig.10 Deployment and test of launching

4 结语

研究提出一种基于LoRa集成北斗的新型通信组合机制.经地面与空中实验，研究组合通信的距离阈值.空中测试表明，无人机与LoRa天线在未冲突频段运行时，传输效果也会受到一定干扰.综上，基于LoRa集成北斗的通信机制在有效范围内可保持稳定的通信质量，解决了当前应急场景下存在的通信盲区问题，为现场数据的获取提供一种新型通信方式，具有一定应用价值.

本次测试方案也存在需改进之处： 测试环境上，可设高楼、树木等障碍物测试传输性能；传输方式上，可增加感知节点数量，进一步探索LoRa组网研究，以适应复杂场景需求；节点运行稳定时，还可进行无人机路径规划与数据挖掘等相关研究，从而丰富应急响应体系的场景应用.