基于LoRa技术的节点仪监控系统研究

乐 强，张 怀，袁久春，况 伟，朱 勇，何友才

(中国石油东方地球物理勘探公司西南物探分公司 四川 成都 610213 )

0 引 言

地球物理勘探技术向“两宽一高”的高精度地震勘探方向发展，越来越多的地震勘探项目都采用了超大道数、高密度、宽区域的采集施工模式[1]。伴随着设备使用量的增大，采集站、检波器、电瓶等采集设备的工作状况直接关系着采集数据的可靠性。同时，判断外界环境状况是否适合地震采集施工也是保障有效采集的重要因素。因此，如何利用监控系统有效监控采集设备的工作状况及野外环境噪声已成为有效保障采集质量的关键因素。

目前，常规使用的有线设备监控系统可以通过大线连接的方式实现实时监控。仪器操作员通过大线对野外设备状况及环境噪声进行有效监控，主要包含以下四方面：1)每天对所有设备进行一次日检，更换故障设备。2)实时了解野外设备连接状态，及时发现断线、设备丢失情况。3)实时了解电瓶供电状况，及时发现低电量电瓶并通知更换。4)实时了解野外噪声状况，选择在低噪声时段进行有效施工。有线设备的监控系统能满足对设备状态及环境噪声的监控要求，已成为保障勘探施工质量的有力手段。

目前，无线节点仪因其对高陡区域、城镇区域以及地形复杂区域有更好的适应性，已逐渐成为野外勘探设备的重要组成部分。因此，如何在无线节点项目中有效监控节点站工作状况成为勘探设备发展中面临的新课题。

1 现有节点式地震仪器的特点

目前无线节点仪器因重量轻、体积小、无外接线缆、易携带、操作简单等特点，已逐渐应用于地震勘探领域[2-3]。相对于常规有线设备，节点仪器具有设备使用量更少，人力耗费更少，野外适应性更好，施工效率更高，生产成本更低以及更安全环保等优点[4-6]。

但是无线节点仪的监控方法目前主要依赖于无人机、施工人员到埋置点位附近获取监控信息。这种监控方式时效性差，部分区域节点站甚至处于“盲采”状态[7]。相对于传统有线设备完善的监控系统，现有节点设备自身监控方法具有以下不足：1)无线缆连接。无线缆连接导致节点系统无法像有线设备通过金属或光纤介质进行信号快速传输。2)低功耗的影响。由于节点仪通常需要连续施工25 d以上，设备总体低功耗需求不允许使用高功耗的无线通信方式。3)带宽的影响。由于野外节点仪数量增多，传输信息量加大，无线通信终端受带宽的影响无法像有线设备那样获取全面的数据信息。4)远距离的影响。由于野外节点仪覆盖面积大，受距离因素无法实时获取信息，特别是距离较远或地形较差的节点仪信息。

因此，节点仪的现有监控方法无法满足勘探项目提高施工质量的需求，需要结合其自身特点设计适合的监控系统，有效监控节点站的工作状况及环境噪声，提高勘探采集数据质量。

2 节点仪监控系统的总体设计

2.1 技术路线

本研究需要利用节点仪自身特点，解决野外节点站工作状况及环境噪声无法受到有效监控的问题，需要达成以下目标：1)远距离。监控系统能扩大监控范围，缩减基站数量，降低监控成本。2)高可靠性。监控系统最大程度提高可靠性，降低软件冲突概率，提高监控质量。3)完整的监控内容。能回传所有节点站完整的监控信息，包括具体的施工状况信息、外界噪声信息，方便施工人员进行分析、整改与决策。

为达到以上设计目标：首先，选择最优的通讯方式，设计合适的系统架构和相关的指令逻辑，以达到高质量、远距离的目标。其次，对系统进行模块化设计，特别是硬件电路和软件逻辑设计时，不仅需要实现回传获取完整的监控内容信息，还需要保障系统的高可靠性。最后，对监控系统进行试验测试。节点仪监控系统的技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

2.2 系统实现方法

本研究需要设计一款全新节点仪监控系统，能够即时监控有效范围内的所有节点站。节点仪监控系统工作流程如图2所示，中央控制系统通过控制软件控制外部基站与外部节点站通信。外部基站通过合适的通信方式访问控制外部节点站，获取相关监控信息。中央控制系统获取节点站的相关监控信息时，必须在间隔时段内完整地获取控制区域内的所有节点站信息，以达到即时有效监控的效果。由于中央控制系统以及基站目前有成熟产品，节点仪监控系统主要研究外部节点站的监控模块硬件设计以及相关软件设计。

图2 节点仪监控系统流程图

2.3 通信方法选择

目前节点仪外部巡查主要通信方法为蓝牙通信以及Wifi通信。蓝牙通信支持实现不同设备之间的短距离数据交换。蓝牙协议要求通信时必须由服务器一对一匹配客户端，并建立联系收放数据。Wifi通信创建于IEEE802.11标准的无线局域网，支持无线设备链接无线局域网络进行数据交换。Wifi通信支持通信时服务器通过局域网与客户端一对多的数据交换。相对于传统通信方法，新型LoRa通信是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术。LoRa通信的特色是远距离、低功耗、抗干扰特性好。通信方式对比见表1。

表1 通信方法对比表

与目前主流的Wifi通信、蓝牙通信相比，LoRa通信具有以下优势：1)传输距离更远。相对于蓝牙通信的小于10 m以及Wifi通信的300 m以内，LoRa通信距离最远可达到5 km，复杂山地环境也能达到2 km级。2)功耗低。相对于Wifi通信，LoRa通信的低功耗保障了数据传输对节点站在野外工作时间影响更小[8]。3)抗干扰性好。相对于Wifi通信，LoRa通信的抗干扰能力更好，确保了获取监控信息的可靠性更好[9-10]。因此，选择LoRa通信作为节点仪监控系统的通信方法。

2.4 系统总体方案设计

2.4.1 系统架构设计

基于LoRa技术的节点仪监控系统总架构如图3所示，由中央控制服务器、网关基站以及终端节点站三部分组成。中央控制系统为系统的指示模块，主要负责发送命令指示以及收取监控信息。网关基站为系统的关键中间节点。转发指令时，网关基站负责将获取的中央控制系统指令批量完整地发送给所有终端节点站。网关基站需要保障指令发送过程中没有丢包现象，而且所有节点站都能获取指令。转发监控数据时，网络终端需要接收外部节点站的监控数据，并在一定时间段内判断是否接收所有站数据。如有漏收数据，网络终端需要重新接收该部分数据。外部节点站为整个监控系统终端，通过LoRa传输模块与网关基站发起通信联系。接收发布指令时，需要确保所有外部节点站通信模块都能顺序接收到网关基站转发的指令。回传监控数据时，需要确保所有外部节点站先得到网关基站已获取监控数据的回传信息，然后停止重复发送监控数据。

图3 节点监控系统架构图

整个节点仪监控系统通信环节需要保障终端节点站收发数据传输有序无冲突。中央控制系统和网关基站间通过成熟的TCP/IP网络协议进行通信连接。网关基站与终端节点仪的通信模块之间通过LoRa协议进行通信连接。通过系统架构设计，能完整解析整个系统的工作架构及节点监控模块需要实现的具体功能。

2.4.2 系统逻辑设计

节点仪监控系统的网关基站与终端节点间的逻辑设计是总体设计中的关键。逻辑设计需要保障二者之间的通信没有数据丢失以及指令冲突。在基于时分双工原则前提下，本设计制定出基于LoRa物理层协议的通信协议方案。方案逻辑设计主要包含网关基站面向终端设备转发指令时指令方式设计和终端设备向基站响应时响应方式设计。

网关基站面向所有终端设备转发指令时，设计网关基站主要转发2种指令：1)控制指令。此种指令发送后，终端设备接收判断后不需要再次响应。这种情况下网关基站只要转发中央控制系统的指令就实现了对终端设备的批量控制。通常设备在正常工作情况下无需再回复响应，占用信道。2)数据请求指令。此种指令发送后，终端设备接收到需要做出响应。在这种情况下网关基站在做好中央控制系统的指令转发同时，还要做好接收终端设备数据回复的准备。通常数据指令中包含终端设备回复顺序，终端设备按设计顺序进行回复响应。

终端设备接收到数据指令后，主要有2种响应方式：1)立即响应。这种响应回复速度更快，但是所有设备同时响应可能会造成网关基站的接收通道阻塞，大幅降低通信效率。通常在响应是与非回复数据量小的情况下选择此种响应方式。2)次第响应。按照数据指令的回复顺序进行依次响应。这种响应能避免不同终端间的信息冲突。通常在数据量响应较大的情况下选择这种响应方式。通过系统逻辑设计，确保了整个系统工作逻辑指令清晰无冲突。

3 节点仪监控系统的硬件及软件设计

3.1 系统硬件设计

3.1.1 系统电路设计

节点站通信模块硬件电路设计如图4和图5所示，总体分为4个部分。首先，模块通过LoRa芯片SX1278进行物理层的无线数字通信调制，实现LoRa通信传输功能；其次，模块通过LoRa芯片与芯片电源脚间的SF2136e型薄膜滤波器进行有效滤波，滤除收发时串扰带来的杂波噪声，提高信号质量；再次，模块通过在电路天线前端添加PE4259射频开关实现了控制微波信号通道转换作用，对电路进行有效控制，实现收发控制功能；最后，模块通过添加LDO器件于芯片电源脚与电源供电电路之间提供电路稳定性，提高模块稳定性。

图4 LoRa主控电路原理图

图5 LoRa辅助电路原理图

3.1.2 系统电路特点

节点站通信模块硬件电路具有以下五大特点。首先，硬件电路通信能力强。设计选择SX127X系列中的SX1278芯片作为中控LoRa芯片。该芯片链路预算最大为168 dB，最大射频输出功率为20 dBm，灵敏度为-148 dBm，RSSI范围宽达127 dB，最大能发送256个字节的数据包，具有强大的通信能力，能满足设计需求。其次，在实现收发电路转换同时最大程度降低功耗提高可靠性[11]。设计选用PE4259 型射频开关为电路转换开关，可以通过控制射频开关引脚的高低电平实现切换发送和接收电路。该射频开关板载CMOS低电压控制逻辑的控制接口，具有低功耗、高可靠性的特点，能在提高可靠性的同时又降低功耗。再次，电路稳定性高。设计添加的LDO器件，不仅能够通过控制LDO的引脚来控制供电电路而且可以利用LDO稳定电压提高电路稳定性。然后，有效滤除了杂波噪声。设计添加的SF2136e型薄膜滤波器插损小、隔离度高、串扰小、工作稳定，能有效滤除模块收发产生的杂波噪声。最后，提高了电路发射功率和带宽。设计选择T型射频电路匹配方案。该匹配方案带宽更宽，效果更好，电路发射功率和带宽都能达到整个电路的最优状态。因此，通过对芯片选型、电路优化、匹配电路设计，模块硬件设计满足设计要求。

3.2 系统软件设计

3.2.1 软件流程设计

节点仪监控系统软件流程如图6所示。第一步，系统进行初始化，软件进入待命状态。第二步，系统根据时序设计判断当前时间是否到设定的接收区间，如果没有就进入初始状态，如果已到就进入接收区间。第三步，系统进入接收区间后判断是否接收到指令，如果未接收到就继续返回等待进入接收区间，已接收到指令就进行指令解析。第四步，指令解析，判断控制指令后面是否跟随数据请求指令，如果没有就直接判断是否结束接收。第五步，如果第四步判断跟随数据指令，就按照数据指令规定的规则和顺序进行应答和监控数据上传。第六步，判断是否结束接收指令，如果否就进入接收区间判断。第七步，如果选择是结束接收指令，本轮数据接收结束。

图6 节点仪监控系统软件工作逻辑流程图

整个工作流程的关键在数据指令判断和解析。如果指令判断错误，节点站可能直接进入数据接收判断模式，却不上传监控数据，导致该站体的监控数据漏收。如果数据指令解析错误，节点站按错误的数据发送规则发送，监控数据就会出现数据冲突，导致中央控制系统上显示数据错误。因此，需要采用相关方法给指令判断和解析留下足够的容错处理空间。

3.2.2 软件设计特点

软件设计的核心是时间槽的设计。时间槽设计能通过规则给指令判断和解析留下足够的容错处理空间，解决错误所产生的冗余冲突问题，大幅降低由于逻辑错误出现的软件闪退及崩溃现象。监控中央控制系统的指令包含控制指令和数据请求指令。控制指令节点站不需要应答，数据请求指令节点站需要应答。控制指令是短指令，可以不携带终端节点站站号直接批量发送所有终端设备。数据请求指令是长指令，必须携带具体终端节点站站号并多次发送。时间槽需要按照最优顺序进行设计，既满足给够错误判断及修复时间，又不耽误整个流程效率。

设计时间槽顺序如图7所示。首先，发出控制指令，该指令能在最短时间内让节点站知道是否有指令发出，容易被获取同时减少节点站接收区间的判断功耗。然后，发出数据请求指令，该指令包含需要应答终端设备站号以及应答顺序，能让节点站判断是否应该返回数据信息，如果返回需要按什么顺序返回，容易减少节点站判断逻辑混乱导致的崩溃。最后，所有需要应答的终端设备按照数据请求指令所设计的顺序依次应答回传监控数据信息，避免了多节点站同时返回信息容易引起的数据混乱及带宽不够情况，减少了误码概率。同时，如图8所示，在时间槽指令之间按指令需求设计了时间间隙。时间间隙即时间冗余，不仅用于避免指令与数据间的互扰现象，而且也给软件进程中时间判定提供了容错空间，有效避免了软件的逻辑错误。因此，时间槽的设计能最大限度避免软件流程中数据的串扰及冲突现象，提高了软件的稳定性和可靠性。

图7 时间槽顺序图

图8 指令间隙示意图

4 节点仪监控系统的测试

4.1 功率测试

节点站通信模块是设计的重要组成部分。因为基站采用交流电直接供电，可以增大功放输出指令，所以节点站通信模块的输出功率需要进行功率测试。模块的输出功率直接关系着能否符合监控系统的要求与网关基站进行正常通信。LoRa通信模块发射功率为15 dBm时，能将信号传输到距离为2 km的基站，满足监控系统需求。因此，设计需要测试LoRa发射功率是否达到15 dBm。

功率测试采用频谱仪测试节点站通信模块的输出功率。首先，向节点站控制电路输入测试程序。该测试程序设计通信模块每间隔2 s向网关基站发送一组监控数据。然后，使用3.3 V电源给通信模块供电，确保通信模块正常发射信息，并将模块输出端口接入频谱仪进行分析。最后，频谱仪显示结果如图9所示，通信模块在中心频率433 MHz处达到输出功率峰值17.35 dBm，传输距离超过2 km。因此，通信模块的功率测试超过15 dBm,达到设计性能要求。

图9 节点站通信模块输出功率图

4.2 功能测试

功能测试目的是验证中央控制系统能否通过网关基站获取外部节点站通信模块所回传的监控数据，并进行相应的统计分析。首先，中央控制系统软件设置数据发送规则并按规则发送控制指令及数据请求指令。其次，网关基站向外部终端节点站转发指令。再次，外部终端节点站接收指令后，按设计规则响应回传监控数据。然后，网关基站接收监控数据后转发给中央控制系统。最后，中央控制系统记录回传监控数据并进行处理显示。

中央控制系统所显示的软件测试信息如图10所示。1)中央控制系统顺利通过设计流程获取外部终端监控信息。2)节点站终端按照网关基站转发的数据请求指令响应规则按顺序在不同时间段进行响应。3)中央控制系统对外部终端传回的原始监控数据进行了记录和解析，判断出外部终端是否工作正常、是否被移动。4)外部终端按数据请求指令要求全部响应，中央控制系统记录并显示所有响应信息。因此，测试结果满足节点仪监控系统的设计需求。

图10 监控软件测试信息

4.3 测试结论

通过对节点仪监控系统的功率及功能测试，设计初步满足设计需求：1)远距离。发射距离超过2 km，能实现直径超过4 km内的有效监控范围，满足野外节点仪即时监控要求。2)高可靠性。试验过程中，节点仪监控系统没有出现数据丢失及软件崩溃现象，满足设计的可靠性要求。3)监控内容完整。获取监控信息含节点站工作状态测试信息、环境噪声信息及位置状况，包含完整的监控信息，满足设计需要。因此，设计的基于LoRa技术的节点仪监控系统，选用最优通信方式，能有效监控节点站的工作状况及环境噪声，提高勘探采集数据质量，满足了节点仪监控的需求。

5 结束语

本研究选择LoRa技术作为系统通信方法，将中央控制服务器、网关基站以及终端节点站3部分作为整个通信架构，通过对芯片选型、电路优化、匹配电路设计进行硬件设计，采用构建时间槽的方法优化软件流程，通过功率测试与功能测试结果证实所设计的监控系统能实现远距离、高质量的节点仪监控目标，满足监控距离超过2 km、监控效果稳定的设计要求。但由于条件限制，监控模块没有与节点仪控制电路集成一体化，仅用于探索性测试，而且硬件设计以及软件编译也需要集成后继续改进优化。基于LoRa技术的节点仪监控系统可以监控节点站工作状态及工作环境，为节点仪高质高效施工提供保障，具有进一步研究价值。