基于LoRa与北斗短报文通信的监测系统

黄 毅，沈向前，谢 翔

（1.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410007；2.湖南省矿山安全智能化监控技术与装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410007；3.长沙市工程灾害智能监控与防治工程技术研究中心，湖南 长沙 410007）

0 引 言

地质灾害是由地壳运动或人为活动等作用引起的地质运动。岩土崩塌位移等自然灾害严重威胁着人们的财产和生命安全，因此防灾减灾成为了人们的必要活动。我国幅员辽阔，蕴含各种地形地貌和地质构造，地理和气候环境复杂，人类的一些生活和经济活动也导致了生态环境变得脆弱，进而催生了大量的自然灾害。为此，我国提出了“预防为主，防治结合，综合治理”的方针，其中特别强调了对自然灾害预防工作的重视。我国主要的地质灾害为滑坡和崩塌，其中最为严重的地区为西南地区。为了尽可能地降低地质灾害造成的损失，需要及时进行地质灾害预警。但我国西南很多地区为欠开发区域，通信和供电水平制约了常规在线监测手段的发挥。此种情况下亟需一种低功耗、高功效的地质灾害监测系统来弥补这一不足。

北斗卫星通信摆脱了移动通信基站的限制，能够在国内任意地区实现信息交互，为偏远地区提供了可靠的通信手段。北斗卫星通信是我国自主研发的短报文通信手段，具有覆盖范围广、通信距离远、信息无盲区全覆盖且安全可靠的特点。目前，北斗卫星通信系统已经被大量应用于电力、农业、军事等各行各业。虽然北斗短报文通信系统能保证地质灾害监测系统与外界的通信，但其通信的信息载量少。为此，本文研究通过LoRa自组网实现各个组件间自通信。

1 基础原理

1.1 地质灾害监测系统

地质灾害监测系统是以先进的传感器、通信、数据处理、人工智能等信息技术为基础，主要由数据传输系统、处理系统、采集系统等组成。通过对监测范围内的地质位移、土壤水分、降水量、温湿度、水位等地质灾害相关信息和气象信息等进行统一化的监测和管理，构建一套集采集、分析和预警于一体的地质灾害监测系统。以此实现对地质灾害的精准感知、智能分析、精确预测和主动预警。

1.2 北斗短报文通信

北斗短报文通信是通过北斗卫星实现的双端全双工通信，是我国基于北斗导航系统自主研发的独有功能，能够通过北斗卫星系统实现信息的接收和发送。传输内容可以包含汉字、字母或二者混合，使用便利。北斗短报文通信是基于终端ID编码进行的，需要通信端拥有独有的SIM卡，且该卡具有唯一性，能加密通信，有效预防信息泄露；其每次通信带宽为78 B，通信频次为1次/min。

1.3 LoRa无线通信

LoRa技术是一种兼具功耗低、通信距离远特点的无线通信技术。该技术基于CSS调制技术，在保持低功耗的同时极大地扩大了通信范围，具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点，其传输距离在郊区空旷地带可达到15 km；工作频率采用433 MHz、868 MHz、915 MHz全球免费频段；调制方式基于扩频技术和线性调制扩频，具有前向纠错能力；它的一个网关可以连接成千上万个节点；传输速度可达10 Kb/s，完全满足地灾信息的传输载量。

2 设计方案

2.1 系统设计

应用场景环境为：电力供应和常规通信手段未覆盖的偏远地灾隐患区域。

需解决的问题：电力供应、内部网络通信、与外部通信、系统自管理、系统数据处理与自分析。

基于LoRa与北斗短报文通信的地质灾害监测系统是一种便于在边远欠开发区域实现的的地质灾害监测系统。为了实现该方案，将自主设计一套智能通信网关系统。对于各个采集端，通过LoRa无线自组网技术实现各个模块的信号中继和数据交互，以及区域信号覆盖和各个采集端和处理端的数据归集；处理端收集各个采集端的信息并进行分析，获得采集故障、预警和异常信息；同时处理端兼具网关功能，通过北斗短报文系统将处理端的预警和异常信息报送至上位机；上位机通过北斗短报文系统下发操作指令和设置更新给处理端，处理端再通过LoRa无线网络发送给采集端。系统的网络拓扑结构如图1所示。

图1 系统的网络拓扑结构

本文的地质灾害监测系统由感知层、传输层和应用层三个部分组成。

感知层：主要负责监测区域内各种环境信息的采集，并对采集的信息进行分析和处理。地质灾害监测信息有表面位移、内部位移、浸润线、降雨量、地声等。在技术层面上，各种类型的传感器技术都已经非常成熟，能够做到精准监测。处理器采集各类型的传感器数据并解析为可分析数据，各个处理器间通过LoRa无线网络归集和分析数据，并将采集故障和异常数据、预警信息通过北斗短报文通信推送至应用层。

传输层：分为内部交互层和外部推送层。各个采集处理器间通过LoRa无线网络进行通信。LoRa无线通信技术具有低功耗、远传输距离特性，能较好地契合地质灾害监测点位的布设规律，一个传感器的单次采集数据流量一般不超过100 B，LoRa无线通信的传输速率完全能够满足各传感器间的数据传输要求。当处理器进行数据的综合归集和分析后，发现采集故障、异常信息或触发预警值，需要对外机进行推送，或需要在外部对监测系统进行指令下达和设置更新。在边远地区的安全可靠、可实现的通信手段只有卫星通信，本系统采用我国自主研发的北斗短报文通信，北斗短报文通信存在传送速率小的问题，但其通信范围全覆盖，能确保感知层和应用层之间信息的交互和通信中继。

应用层：主要有监控中心和预警端两部分。监控中心对采集故障、异常数据和报警信息进行处理，及时对各个区域进行预警，同时根据异常信息及时调整和维护设备监测。

2.2 硬件支持

为实现系统功能，需要一个具有数据采集、处理器、LoRa无线通信、北斗短报文通信和电能管理等功能的低能耗硬件单元进行支撑，其硬件设计如图2所示。

图2 硬件设计

2.3 软件逻辑

系统的软件逻辑如图3所示。系统上电启动后，对时间和各个模块进行初始化；在达到设定的工作时间点时，系统自动唤醒，并进行通信状态检查；处理器向下属各个传感器下达采集指令并监听采集信息；通过LoRa无线网络将数据向中心处理器进行归集，中心处理器对数据进行对比分析；通过特定协议将要发送的数据编辑为上传文本，通过北斗短报文系统将数据上传至应用层；系统进入休眠，等待下一个采集周期时间节点到达时自动唤醒并进行下一个采集处理环节。

图3 系统的软件逻辑

2.4 通信协议

为了减少上传的数据量，设计一种新的数据传输协议，协议规则见表1所列。一个监测量的发回须包含以下信息：

表1 数据传输协议规则

（1）参数编号：在感知层终端与应用层进行统一，二者通过数据库方法进行匹配后应用；

（2）状态符：为减少北斗短报文通信传输的数据量，规定回传的信息都为必须信息，主要分为预报警0、数据异常1、采集异常2；

（3）参数值：在发生预报警和数据异常时需要附带报警值和异常值。在终端将各个要发回的监测量以78 B为最大值，通过起始符和结束符进行组合形成一次发送量的字符串。

3 结 语

针对边远地区无网络覆盖的不足，设计一种基于LoRa无线通信和北斗短报文通信的地质灾害监测系统。结合LoRa无线通信技术的自组网、长距离传输、低功耗的特点以及北斗短报文通信全球广覆盖的特点，同时通过终端处理器实现传感器数据的终端处理和初步分析以及关键信息的提取，将分析结果和预报警报送至应用层，减少了上传数据量。通过更低的建设和运营成本实现了边远地区地质灾害信息的实时更新，保证了地质灾害预报警的及时性。