基于LoRa集成北斗通信技術的應急響應設計與實現

尹小俊，陳崇成，李瑞興，王鳳姣

(1.閩江師范高等?？茖W校計算機系，福建 福州 350108；2.物聯網福建省高校應用技術工程中心，福建 福州 350108；3.福州大學數字中國研究院，福建 福州 350108)

0 引言

應急通信是指在自然災害或公眾事件的緊急狀態下，提供的一種暫時穩定、快速響應的通信方式作為支撐，從而滿足現場信息交互的即時需求.當前，對于自然或人工災害等應急類場景，通常需要運營商的應急保障車現場搭建微型通信基站，通過無線技術實現移動用戶的接入.但基站與保障車需在一定距離內維持有線連接，以持續供電確保通信鏈路的可靠性，具有應用局限性[1].因此，如何克服應急場景惡劣的通信環境，創新應急通信方法成為當前研究的主要趨勢[2-3].

近年來，為滿足社會發展需求，無人機的市場由原先的軍用級逐漸拓展至行業級、消費級，小型無人機系統的推廣，使其功能按需求定制成為一種可能[4-5].低功率廣域網(low-power wide-area network，LPWAN)技術憑借低功耗、遠距離與廣覆蓋等優勢特別適合城市級物聯網應用，改變傳統依賴于基站中繼的信息收集與傳遞方式，能夠快捷、方便地實現區域的覆蓋與遠距離傳輸[6-8].

應急環境通常存在基站損壞、區域弱覆蓋等現象，基于蜂窩的移動通信系統及無線網絡無法正常工作[9].與地面基站通信不同，衛星通信是利用人造地球衛星作為中繼站所提供的通信服務，工作穩定且不易受自然災害影響，特別適用于應急場景[10].我國自主研發的北斗通信系統近年得到了快速的發展，北斗衛星全天候、無盲區的工作特點提供可靠性較高的定位、導航及通信服務，穩定性較好的北斗短報文功能有效地解決了通信網絡的覆蓋問題[11-12].目前，基于北斗短報文的通信功能在生態環境監測[13]、海洋地質[14]、氣象預警[15]等行業已廣泛應用.

本研究從應急場景的信息需求出發，以數據處理與傳輸方法為研究重點，使用傳感器采集、GPS定位、LPWAN傳輸、北斗短報文通訊等核心技術，集區域環境數據采集與遠程傳輸為一體的感知傳輸系統，為應急救援工作提供高效、準確的信息獲取方式，更好地推進應急通信的多元化建設.

1 設計方法

1.1 總體架構

圖1 通信系統結構Fig.1 System of communication architecture

研究以物聯網經典架構為基礎，提出一種新型通信組合方法，結構上以感知終端為采集節點，負責區域環境數據采集，采用LoRa技術進行數據傳輸；匯聚終端作為網關實現節點數據匯聚，并集成北斗通信技術實現遠距離通信.通信系統結構如圖1所示.

1.2 感知節點與匯聚終端

應急場景下，無人機搭載感知節點執行區域環境數據采集、傳輸并匯報節點位置以便后臺定位跟蹤，結構如圖2(a).匯聚終端完成感知節點數據的接收、歸類與備份，集成北斗模塊實現遠距離通信.終端集成LoRa與北斗兩大傳輸模塊，分別用于節點網內傳輸與服務端遠程通信，如圖2(b).匯聚終端嵌入GPS模塊，通過地理位置信息為無人機的路徑規劃提供依據.

圖2 硬件結構框圖Fig.2 Block diagram of the hardware

1.3 關鍵技術

近年來，以LoRa為典型低功耗廣域網技術的出現，解決了以往無線通信領域中通信距離與功耗的矛盾[16]，它在相同功耗的條件下比其他無線方式傳輸距離更遠，無障礙的最佳通信距離可達20 km.不同于目前主流的頻移鍵控(frequency-shift keying，FSK)機制的無線通信系統，LoRa基于chirp[17-18]擴頻調頻調制方式，突破了傳輸距離和功耗的限制，呈現了真正意義上低成本、低功耗與長距離的全新通信技術，逐漸在燈控[19]、泊車[20]、電力[21]等領域得到應用.

北斗短報文的通信、位置上報、應急報警等功能較好地適應戶外環境，可在應急救援、搶險救災、森林巡檢等行業提供服務.實際應用可在應急場景的關鍵區域部署一定數量感知節點，優化部署策略，使用一個網關實現節點數據的匯聚，最終通過北斗短報文功能完成協議報文的遠程上傳.

2 實現過程

2.1 感知節點電源

圖3 感知節點電源方案Fig.3 Power supply scheme of sensory node

以往節點使用堿性電池等供電方案，多為一次性使用耗材，回收利用存在一定困難，且存在環境污染風險.本節點采用鋰電池對主板持續供電，兼容移動電源與太陽能電池充電接口，如圖3所示，供電系統分為降壓與升壓兩模塊.其中，3.3 V-A對主控系統及指示、報警等模塊供電，3.3 V-B作為備用電源在LDO模塊失效后能快速接入.同時，LoRa寬電壓特性支持2.5～5.5 V電源，故設計3.3 V-C滿足LoRa模塊調試.此外，升壓模塊的5 V與12 V可用于傳感器供電調試.

2.2 GPS定位與LoRa傳輸

為獲取感知節點地理位置，節點配置中科微ATGM336H定位模塊，如圖4所示.圖4中U201接入獨立可控的3.3-B電源供電，在引腳VBAT上預留紐扣電池防止主電源供電失效.LoRa模塊選型無線串口AS62-T30，數據收發長度達256 B.圖4中U205引腳MD0、MD1與MCU通過高低電平輸入實現模塊的正常、喚醒及休眠模式，引腳AUX可輸出不同時長的高低電平，用于無線收發工作指示.

圖4 定位與傳輸模塊電路Fig.4 Circuit of location and transmission module

2.3 感知節點任務流程

感知節點的任務流程，劃分為接口資源初始化、傳感器驅動、GPS數據解析、數據融合、LoRa無線傳輸等，如圖5所示.感知節點上電后啟動狀態自檢，其數據采集與傳輸過程獨立進行，采集周期通過指令實時可控.為實現“采發獨立”，節點數據包生成周期約3 s，適應北斗短報文1 min的發送周期要求，合理設置圖5定時時間，啟動LoRa初始化配置，將備份區內最新采集的節點數據包傳輸至匯聚終端.

圖5 感知節點事件流程Fig.5 Event flow of sensory node

2.4 北斗通信與協議設計

匯聚終端的北斗通信是實現感知層與應用層鏈接的唯一通道.模塊采用福大北斗自研的北斗短報文一代FB3154.設計圖6電源管理D與E供電并調試，分別滿足北斗通信的收發功能.

圖6 北斗電源電路與通信調試Fig.6 Power circuit of Beidou and communication debugging

感知節點的數據通過北斗模塊的短報文實現遠程傳輸，應遵循北斗2.1版本的接收機協議，需配備北斗通信卡獲取授權，系統采用民用領域三級卡，短報文長度限制為78.5 B，如圖7所示.結構包含一、二、三級字段，一級字段為北斗協議標準，占5 B，起始符與結束符分別以‘$’、‘*’固定填充，中間字段用‘,’分隔，校驗碼是將‘$’與‘*’間字節(含分隔符)異或運算以確認報文可靠性；二級字段中控制指令通過串口下發數據采集、傳輸等任務，目的地址為接收方的通信地址，傳輸方式選擇漢字與字符混合制；三級字段為節點數據包，根據需求自定義設計.表1示例，報文僅占39 B，由于北斗短報文的發送周期最小間隔為1 min，為提升通信效率，可設置每條短報文含2條節點數據，共占68 B，符合長度限制.

圖7 協議設計Fig.7 Design of protocol

表1 數據報文示例

3 測試分析

3.1 測試方案

圖8 測試總方案Fig.8 Scheme of general test

受限于環境測試與資源分配等因素，本次研制設備數量為3臺.其中，感知節點2臺(編號01、02)，分別定義為感知層數據獲取與傳輸層中繼接力；匯聚終端1臺(編號03)，定義為網關節點，完成遠程北斗通信.測試分為地面與空中兩個階段，執行線性傳輸方式，測試總方案如圖8所示.

3.2 地面測試

地面通信測試選取福州市橘園洲特大橋、浦上大橋與灣邊大橋，可視直線范圍內無明顯障礙物，設置兩類方案進行通信效果測試，具體如下.

方案一： 節點01與節點03布放于橘園洲大橋，相距約500 m；節點02布放于浦上大橋，與節點01相距約3.6 km，與節點03相距約3.2 km，部署如圖9(a)所示.

方案二： 節點01與03布放于橘園洲大橋，相距約500 m；節點02布放于灣邊大橋，與節點01相距約7.9 km，與節點03相距約7.5 km，部署如圖9(b)所示.

圖9 部署與測試Fig.9 Deployment and test

節點01生成節點數據包，通過LoRa發送至節點02的LoRa接收，并轉發至節點03，通過北斗模塊發送至北斗移動終端.經隨機報文測試可知，節點與終端LoRa線性組網，在3.0～4.0 km通信距離內無丟包與延遲.表2為方案一測試結果，定點距離檢測功率，均可收到4個波速信號強度.后臺可實時接收并解析報文，在3.6 km的通信距離內，報文收包比可達100%，具有較高的穩定性.

表2 方案一測試

方案二轉發機制與方案一相同，但節點02與節點03接收數據包后，都將解析并添加本機傳感器數據與地理位置信息，封裝后再執行轉發，測試結果列于表3，執行協議報文測試時，距離延長致使北斗模塊驅動力減弱，收包比降至54.01%.同時，LoRa線性傳輸在此邊緣距離內，節點均會出現不同程度的丟包現象.

表3 方案二測試

3.3 空中測試

空中測試選取福州大學國家大學科技園1號樓前廣場.考慮實際載重與掛載安裝情況，無人機選型大疆精靈.節點01、節點03與北斗移動終端布放至廣場圓臺中央，節點02掛載至無人機上進行升空測試，如圖10(a).無人機于科技園內1號樓前廣場起飛，依次升空距地面節點的空間距離為0.5、1.0、1.5、2.0 km處進行傳輸測試，執行地面測試方案二數據轉發機制.以過半收包率作為最大通信距離標準，定點間隔距離處執行10條數據包的收發測試，如圖10(b).可知： 受無人機天線干擾，當節點02的LoRa天線放置在無人機頂端天線中間時，節點間最大通信距離約為1.0 km；當天線放置在封裝殼體底部時，最大通信距離約為1.5 km；當天線放置于無人機升降架上，由于無人機續航限制，實測節點距離在2.0 km內，獲得較好通信效果.同時，LoRa天線置頂或置底時，空中通信若超出上述距離，節點會出現較為嚴重的丟包現象.

圖10 部署與升空測試Fig.10 Deployment and test of launching

4 結語

研究提出一種基于LoRa集成北斗的新型通信組合機制.經地面與空中實驗，研究組合通信的距離閾值.空中測試表明，無人機與LoRa天線在未沖突頻段運行時，傳輸效果也會受到一定干擾.綜上，基于LoRa集成北斗的通信機制在有效范圍內可保持穩定的通信質量，解決了當前應急場景下存在的通信盲區問題，為現場數據的獲取提供一種新型通信方式，具有一定應用價值.

本次測試方案也存在需改進之處： 測試環境上，可設高樓、樹木等障礙物測試傳輸性能；傳輸方式上，可增加感知節點數量，進一步探索LoRa組網研究，以適應復雜場景需求；節點運行穩定時，還可進行無人機路徑規劃與數據挖掘等相關研究，從而豐富應急響應體系的場景應用.