基于LoRa物联网的自然保护区监测系统设计

孙卫宁 杜奕霖 覃宏秋

【摘 要】人类的活动和过度开发破坏了自然生态，导致生态系统退化。自然保护区是维持生态系统平衡和保持生物多样性的有效手段，但是，如何才能有效地对自然保护区的生态环境进行观察、监测？文章提出基于LoRa物联网的自然保护区监测系统设计方案，把目前使用的传感器、监测设备通过星形网络进行部署，实现对自然保护区的远程监控和管理，同时也为自然保护区生态的发展、保护、研究提供数据参考。

【關键词】LoRa；物联网；数据采集；FPGA

【中图分类号】X36；P208 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）05-0036-03

1 系统总体设计

系统采用嵌入式FPGA可编辑器件进行开发，由数据采集、数据处理和数据传输三大部分组成。数据采集主要由各个不同的传感器组成，通过不同的方式对自然保护区的环境、水文气象、动物活动情况进行测量或感应；数据处理是实现对采集的数据进行分析、编解码、重新打包和存储；数据传输主要是通过LoRa终端、LoRa网关、GPRS和有线网络等方式逐级上传数据到服务器。

2 网络结构

LoRa的网络架构和协议栈网络架构中包括终端、网关、网络服务器和业务服务器等。其中，终端节点包括物理层、MAC层和应用层的实现；网关完成空口物理层的处理；而网络服务器负责进行MAC层处理，包括自适应速率选择、网关管理和选择、MAC层模式加载等。LoRawan定义为典型星形的组网方式（如图1所示），LoRa终端采用多对一的方式和LoRa网关通信，LoRa网关通过标准的IP协议与服务器通信。相对mesh网络，典型星型的组网方式减少了路由，降低了系统的功耗和成本。LoRa支持多信道通信，对于多节点通信情况，LoRa采用了多信道加扩频调制技术来增中节点的通信容量。比如，在同一个信道中，由于使用不同的扩频因子，节点间的通信互不干扰。因此，简单的星形网络结构可以满足在保护区中多节点部署的要求。

3 网络通信传输模式

3.1 允许双向通信的class A类终端

class A类终端在每次上行链路后都会紧跟2个短暂的下行链路接收窗口，传输时隙是由终端在有传输需求时分配，附加一定的随机延时（即ALOHA协议）。Class A类终端是最低功耗的，要求应用在终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输，服务器在其他任何时间进行的下行传输都要等终端的下一次上行。

3.2 划定接收时隙的双向传输终端Class B类终端

Class B的终端会有更多的接收时隙。除了Class A的随机接收窗口，Class B设备还会在指定时间打开别的接收窗口。为了让终端可以在指定的时间打开接收窗口，终端需要从网关接收时间同步的信标Beacon。这使得服务器可以知道终端正在监听。

3.3 最大化接收时隙的双向传输Class C的终端

Class C终端基本是一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。Class C的终端会比 Class A和 Class B更加耗电，但同时从服务器下发给终端的时延也是最短的。

3.4 网络通信传输模式选择

在自然保护区，为了让监测设备最长时间的连续工作，低功耗是设计时需要考虑的重要因素。对于上述3种工作模式，class A最省电，同时也满足数据传输的需要，因此选择class A的工作模式。

4 监测点的设计与选择

在自然保护区中，划分多个不同的监测区域，可以根据实际的情况，灵活地进行部署。

（1）自然保护区基本情况的监测，如温度、湿度、河流水位、降水、气压、防火等。对环境方面的监测，可以安装湿度传感器、水位传感器、气压传感器、降水传感器、烟雾传感器等。

（2）野生动物的情况监测，如动物的数量、痕迹、身体状况等。对动物的监测，可以安装红外触发相机、声音传感器、振动传感器，红外触发相机可以检测到动物的活动情况，因动物的活动引发相机拍照，然后把相片发回服务器，通过查看相片可以观察到动物的活动区域、数量、健康等；此外，声音传感器、振动传感器也可以通过采集这些数据了解到动物的活动情况。

（3）人类活动情况监测，如砍伐、偷猎、人数、放牧、旅游等。在自然保护区的边界或是一些重点区域进行监测，通过红外触发相机或是入侵检测等设备进行监控，当有非法入侵或是有人类活动时，立即可以把图像信息实时传到服务器上。

5 硬件设计

5.1 数据采集和发送终端

Altera是一家可编程逻辑器件的生产商，一直在可编程系统级芯片（SOPC）领域中处于前沿和领先的地位，提供了多种可配置嵌入式产品。在FPGA中，主要有stratix、arria、cyclone、max等系列产品。cyclone系列产品提供低功耗、低成本、性能较好的设计需求。采用嵌入式FPGA可编辑器件（如图2所示），既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，可以针对不同的传感器接口进行定制，rs232、RS485、I2C、SPI或是厂商自定义的接口协议等都可以集成到嵌入式主板中，在使用的时候，可以做到即插即用，满足监测节点针对不同的环境区域使用不同的传感器设备。数据发端也同时接到嵌入主板中，由fpga芯片进行控制，一方面通过指令对传感器进行采集和控制，另一方面对采集到的数据进行重新编解码，通过LoRa终端上传到数据汇聚节点LoRa网关。

5.2 数据汇聚节点

数据汇聚节点主要是负责数据的接收和转发，汇聚节点LoRa网关接收到各节点数据后，对数据重新打包，转换成标准的IP协议数据包，使用GPRS或有线等方式上传到服务器。

6 软件的设计

采用verilog硬件描述语言进行开发，在算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次上对数字系统进行建模，完成对传感器的通信和控制。

6.1 通信接口设计

RS232通用串行数据总线，用于异步通信，可以实现全双工传输和接收；I2C总线协议，I2C标准速率为100 kbit/s，支持多机通信，支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控。由数据线SDA和时钟SCL构成串行总线；每个电路和模块都有唯一的地址；SPI是一种高速的全双工通信总线，通常有1个主设备和1个或多个从设备，由SI（数据输入）、SO（数据输出）、SCK（时钟）、xCS（片选）4条信号线组成。

6.2 数据采集、数据存储和数据传输的设计

（1）在数据采集端，需要根据实际应用连接一个或多个传感器设备，那么，在使用相同的数据接口情况下采用定时轮询的方式进行数据采集。如果使用不同的接口的设备可以实现定时同时采集，定时采集数据的间隔时间可以在主机中根据需要设定。从各个传感器中采集到的每一帧数据编码也是不一致的，如字符编码、十六进制编码、BCD编码等。这就需要对数据进行编解码处理，统一编码重新打包，每一帧采用32位字节表示，格式由2个字节的帧头、2个字节的设备号（唯一的）、26个字节的数据、2个字节的校验组成。数据传输采用LoRa终端地址+信道向LoRa网关定向传输，每个LoRa终端的地址都设成唯一，即使信道相同，两者之间都不会相互干扰。

（2）系统设计了2种数据存储方式，一种是嵌入式系统的SD卡，另一种是上传到服务器上。这样设计的目的是考虑到自然保护区内的环境复杂，无线信号有可能因外界的各种因素而导致网络暂时失去连接，无法及时发送数据或是出现丢包导致数据出错，因此把数据备份到系统SD卡中，出现上述状况时，可以重新发送数据，避免数据丢失。SD卡是一种低成本的半导体记忆设备，它被广泛用于便携系统和工业设备中，具有容量大、体积小、数据传输速度快、成本低等特点。在监测系统中，通过SPI总线协议进行通信，支持单个块和多个块的读写操作。

（3）从LoRa终端到LoRa网关的数据传输，终端结点包括了物理层、MAC层和应用层。通信过程分为3个步骤：一是终端的激活，二是加入网络，三是数据传输。终端激活可以采用ABP（Activation by Personalization，个性化激活）和OTAA（Over-the-Air Activation，空中激活）2种方式；终端加入网络通过配置AppEUI和DevEUI参数；并且，取LoRa芯片的RSSI随机值，得到DevNonce。将上述3个参数组织成Join Request数据帧，发送给LoRaWAN Server。LoRaWAN Server接收到Join Request后，分配DevAddr，连同AppNonce和NetID，组织成JoinAccept数据帧，回应给终端。终端成功接收Join Accept后便加入了网络，最后进行数据的传输。

7 电源设计

在自然保护区中，系统要长期运行，必须有可靠的、稳定的供电设备，因此采用以锂电为主、光伏板为辅的供电方式，白天光伏板可以提供锂电充电，夜间锂电可以提供设备供电。在不影响系统工作情况下，系统功耗设计要尽可能低，在光能有限的情况下，锂电池能维持长时间的工作，保证整个设备长时间连续不间断地工作。

8 结语

系统把LoRa的低功耗、超远距离的物联网技术应用到自然保护区中，实现对自然保护区的实时监测，提高了管理的效率，同时也为自然保护区生态的发展、保护、研究提供数据参考。

参 考 文 献

[1]刘琛.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术，2016（5）.

[2]Hyun Park.A technical overview of LoRa？ and LoRaWAN？[EB/OL].https：//www.LoRa-alliance.org/

What-Is-LoRa/LoRaWAN-White-Papers，2016-01-

25.

[3]孫曼.基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术，2016（10）.

[责任编辑：钟声贤]