一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统及方法
技术领域
本申请涉及地质灾害监测数据采集传输领域，尤其是涉及一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统及方法。
背景技术
我国地质环境复杂，地质活动频繁，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，受其影响和威胁的人口众多。为最大限度的保障人民群众生命财产安全，提供完善的地质灾害监测（地灾监测）预警系统至关重要。地灾监测系统中，需要传感器对地质状态进行实时监测，数据采集（DAQ）系统对传感器测量信息进行采集与回传，通过数据实时分析及时发现地质状态的异常变化，实现地灾监测。地质监测具有多种方式，包括无人机、传感器以及卫星监测等方式。其中传感器数据采集系统具有全时监测、低成本以及高效传输的等优势。
DAQ系统应用广泛，针对不同应用需求，可以针对性的设计相应的DAQ系统。对于需求简单，环境友好的单一应用场景，DAQ系统设计简单而易于实现，并可以实现极为稳定的性能。然而，地质灾害监测，主要监测边坡的内部受力变形、表面位移裂缝以及水位雨量等环境因素，传感器布置的位置会比较复杂多变，如土体内部、土体表面、山脚、山顶等，同时山体高低起伏地形复杂，测点分布范围广且离散，因此有线组网方式存在监测传感器布线困难，线路保护困难等问题。
发明内容
为了减少地质信息数据采集系统的布线并提高系统的稳定性，本申请提供一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统及方法。
第一方面，本申请提供一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统，采用如下的技术方案：
一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统，包括：
多个探测组，待测地域划分为多个片区，每个片区分别安装有一个所述探测组，探测组包括有一个控制器和安装于片区内的传感器组，传感器组包含多个用于检测单一地质信息的地质传感器，控制器用于对地质传感器进行通讯和供电，所述探测组的各个地质传感器在片区中分散设置以检测片区的整体地质信息，并生成搭载有整体地质信息的检测信号，所述控制器接收和处理检测信号并发射搭载有整体地质信息的无线信号；
局域网关，无线连接于探测组，接收各个探测组的无线信号并生成搭载有地质信息的用于上传服务器的上传信号。
通过采用上述技术方案，由于待测区域的面积通常十分宽广，如果如常规的有线组网方式，将各个地质传感器安装在待测区域的各处并利用电线进行连接以进行统一通讯和供电，则将会导致电线过长，不仅影响信号传输效率和电能传输效率，不方便埋布，同时过长且错综复杂的电线埋布容易发生损坏，导致地质传感器失灵。在本申请中，人为将待测地域划分为多个片区，各个片区内的地质数据均由一个探测组进行探测。探测组中的传感器组包括多种类型的地质传感器，比如湿度传感器、温度传感器、压力传感器等，用于检测各种不同的地质状况，需要设置于片区中各处不同的位置，其采集频率也各不相同，在不工作时则处于休眠状态，比如在采集频率很低时，相邻两次地质信息采集之间地质传感器处于休眠状态，有利于节约电力。
由于使用一个控制器对片区中各地质传感器进行通讯和供电，布线量将会显著地降低。基于现实考虑，片区的面积通常较大，布置于片区中的地质传感器数量很多，但是地质传感器的采集频率低，平均到每个时间间隔中而言，大部分的地址传感器处于休眠状态，仅有少部分在工作，因此耗电功率较低，一个控制器足以对传感器组进行供电而无需额外的电线对地质传感器进行专门供电。
控制器接收片区中各个地质传感器所探测到的单一地质信息，汇总整合成整体地质信息并实时通过无线信号发射到局域网关中，局域网关再将接收到的无线信号转化为上传信号并上传到服务器进行处理。不同的片区相距较远，局域网关与多个片区的控制器进行无线连接，能够有效地降低布线量。
优选的，所述探测组内的控制器采集并存储同组内地质传感器的物理地址，并通过局域网关上传到服务器；所述局域网关接收服务器发出的搭载有配置信息的配置信号并向探测组发出相应的无线信号，所述探测组中的控制器解析无线信号并将无线信息中的物理地址与地质传感器内存储的物理地址进行配对，并基于配对结果按配置信息对本组的传感器组进行配置。
通过采用上述技术方案，探测器组中的控制器存储有组内地质传感器的物理地址，控制器可以根据该地址向地质传感器发送携带配置信息的信号。由于在日常维护中，会存在对探测器组中的地质传感器进行增减、更换型号等情况，此时需要控制器对该信息进行更新，以便于单一地质信息的采集。同时，在地质不稳定时，服务器会下传配置信号，控制器根据配置信息对传感器组进行配置，以改变地质传感器的采样频率，以便于及时获取信号。
优选的，所述控制器将检测信号中搭载的地质信息与预设阈值比较，并基于比较结果选择常规频段或者紧急频段将整体地质信息调制成相应频率的无线信号并发送至局域网关；所述控制器还基于比较结果控制地质传感器提高或降低检测频率。
通过采用上述技术方案，在地质情况稳定时，各地质传感器所测得的单一地质信息会在稳定一个阈值范围内，在发生波动时也不会超过该范围。在该类情况下，各个探测组发出的无线信号分别占据一定的频段。当地质情况开始不稳定时，比如某个山坡即将发生滑坡，或某个基坑将发生坍塌，那么其所在片区的控制器监控到检测到多个单一地质信息将会超出阈值范围，控制器将基于该比较结果控制该片区的地质传感器大幅提高采样频率，以提高检测精度。此时单位时间获取的信息量大幅上升，控制器在上传信息时，需要占据更大的频宽。
由于各控制器需要安排有固定的频段，如果在设计之初就给各控制器预留下足够的频宽，那么每个局域网关对应的控制器的量将会较少，所设置的信号基站将会较为密集。如果在设计之初就只给各控制器预留下恰好供地质情况稳定时上传信号的频宽，那么在地质传感器提高采样频率时，控制器发出的信号将容易发生信号拥堵，影响上传效果。因此，在本方案中，额外设置有一个大频宽的紧急频段。在地质情况稳定的情况下，该紧急频段是闲置的；当某一片区或某几个片区的地质情况不稳定时，控制器将上传信号的频段调整至紧急频段并将检测到的地质信息进行高速上传。
优选的，所述地质传感器在检测信号低于预设阈值时的检测频率为10~30min/次，所述地质传感器在检测信号高于预设阈值时的检测频率为5~10s/次。
通过采用上述技术方案，在地质情况较为稳定时，地质传感器的检测频率无须过高，否则将会较为费电。在地质情况发生改变时，则需要提高检测频率，以实时获取地质变化信息。
优选的，所述局域网关至少无线连接于30个探测组，各个探测组内的控制器至少电线连接于4个地质传感器。
对于无线组网形式，如果对各个地质传感器进行分散供电并利用无线信号统一将上传至无线网关，由于每个地质传感器的上传信号需要占据不同的频段，繁多的地质传感器将容易造成信道拥堵问题。在本申请中，通过采用上述技术方案，将多个地质传感器电线连于单个控制器以进行供电和通讯，单个控制器整合多个地质传感器采集到的信息再无线上传至局域网关，大大节约了频带，以保证在紧急情况下探测组不发生拥堵。
此外，就紧急频带的设置与否而言，如果在设计之初就给各控制器预留下足够的频宽，则每个局域网关只能支持不多于15个探测组。但是在设计之初就只给各控制器预留下恰好供地质情况稳定时上传信号的频宽并同时设置紧急频段以供应急使用，则局域网关至少能够支持30个探测组。
地质传感器与平时生活中见到的传感器也具有较大的区别，生活中的传感器，比如水表内的传感器，其采集到的数据通常只有几个字节，利用物联网即可方便传输，对带宽的要求低。而地质传感器基于传感器种类，单次采集到的检测信息上至几百KB，下至几百字节，对频段的占用高。
优选的，所述无线网关和所述控制器的无线通信技术为LoRa通信技术。
通过采用上述技术方案，LoRa使用433MHz频段，其传输具有距离长且功耗低的特点，适用于地质情况比较复杂的地貌。相比之下，4G、射频等信号传输协议的传输距离、功耗等限制很多。
优选的，所述控制器内设置有缓存区，所述缓存区用于在控制器处于离线状态时将接收到的检测信号存储为缓存信息，所述控制器在恢复在线状态时读取缓存区内的缓存信息并上传局域网关。
通过采用上述技术方案，当外界环境较为恶劣、频道占用或数据拥塞时，比如暴雨或者雷暴天气影响无线信号的输出时，控制器将转入离线状态，并将收集到的检测信号存储为缓存信息，直至与局域网关恢复通讯，再读取缓存区的信息并上传。因此对通信干扰、频道占用、数据拥塞具有很好的抵抗能力。
第二方面，本申请提供的一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集方法，采用如下的技术方案：
一种基于数据采集方法的系统，包括以下步骤：
检测片区各处的单一地质信息；
收集单一地质信息并整合成整体地质信息；
将整体地质信息搭载在无线信号上并将无线信号发送到局域网关。
附图说明
图1是本申请实施例中一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图1，对本申请作进一步详细说明。
地质灾害监测，主要监测边坡的内部受力变形、表面位移裂缝以及水位雨量等环境因素，传感器布置的位置会比较复杂多变，如土体内部、土体表面、山脚、山顶等，同时山体高低起伏地形复杂，测点分布范围广且离散，因此有线组网方式存在监测传感器布线困难，线路保护困难等问题，常规的无线组网传输存在数据传输阻挡多，传输距离远，运营商信号不稳定等问题。
本申请实施例公开一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统。参照图1，这种数据采集系统包括多个用于获取地质信息的探测组、用于接收探测组获得的地质信息并上传的局域网关、以及用于接收局域网关上传信息并向局域网关下传配置信号以控制探测组的服务器。
待测区域的面积通常十分宽广，如果将各个地质传感器安装在待测区域的各处并利用电线进行连接以进行统一通讯和供电，则将会导致电线过长，不仅影响信号传输效率和电能传输效率，不方便埋布，同时过长且错综复杂的电线埋布容易发生损坏，导致地质传感器失灵。在本实施例中，人为地将待测地域划分为多个片区，片区基于地形整体构造进行划分，比如一个基坑系统作为一个片区，比如一个边坡系统作为一个片区。每个片区分别安装有一个探测组，探测组包括有一个控制器和安装于片区内的传感器组，传感器组包含多个用于检测单一地质信息的地质传感器，这些地质传感器包括多种类型，比如湿度传感器、温度传感器、压力传感器等，用于检测各种不同的地质状况，分散设置于片区中各处不同的位置以采集单一地质信息，其采集频率也各不相同，在不发生地质灾害的情况下，采集频率介于10~30min/次。地质传感器在不工作时则处于休眠状态，比如在采集频率很低时，两次采集之间则处于休眠状态，有利于节约电力。
控制器用于对地质传感器进行通讯和供电，换而言之，即为一个传感器组中各个地质传感器的连接节点。传感器组获取的所有单一地质信息即为对应于本片区的整体地质信息，传感器组生成的检测信号即搭载有整体地质信息。控制器接收和处理检测信号并发射搭载有整体地质信息的无线信号；局域网关与控制器无线连接，在本实施例中，无线网关和控制器的无线通信技术为LoRa通信技术，LoRa通信技术使用433MHz频段，其传输具有距离长且功耗低的特点，适用于地质情况比较复杂的地貌。相比之下，4G、射频等信号传输协议的传输距离、功耗等限制很多。无线网关将接收到的无线信号转化为上传信号并上传到服务器进行处理。不同的片区相距较远，局域网关与多个片区的控制器进行无线连接，能够有效地降低布线量。
探测组内的控制器采集并存储同组内地质传感器的物理地址，并通过局域网关上传到服务器。由于在日常维护中，存在对传感器组中的地质传感器进行增减、更换型号等情况，此时需要控制器对该信息进行更新，以便于控制器对地质传感器的控制和对地质信息的收集。同时，控制器将该物理地址上传到服务器，服务器得以对数据库中的相关数据进行更新。在需要临时开启、关闭、调整地质传感器采集频率等情况时，服务器向局域网关发出搭载有配置信息的配置信号，局域网关再将配置信息搭载在无线信号上并发向对应的探测组，探测组中的控制器解析接收到的无线信号并将无线信息中的物理地址与地质传感器内存储的物理地址进行配对，并基于配对结果按配置信息对传感器组进行配置。举个例子，在地质不稳定时，服务器会下传配置信号，控制器根据配置信息对传感器组进行配置，以提高地质传感器的采样频率，以便于及时获取信号。
在日常的检测中，控制器将检测信号中搭载的地质信息与预设阈值比较，当地质信息超出预设阈值时，比如地质信息中的湿度超出了预设湿度阈值，或者地质信息中的温度超出了预设温度阈值，则判定为发生地质情况不稳定。反之，当地质信息未超出预设阈值时，则判断为地质情况稳定。
在地质情况稳定时，各地质传感器所测得的单一地质信息会在稳定对应于该单一地质信息的阈值范围内，即使发生波动也不会超过该阈值范围。在该类情况下，各个探测组发出的无线信号分别占据一定的频段。当地质情况开始不稳定时，比如某个山坡即将发生滑坡，或某个基坑将发生坍塌，那么其所在片区的控制器监控到检测到多个单一地质信息将会超出阈值范围，此时控制器控制该片区的地质传感器大幅提高采样频率，以提高检测精度。此时单位时间获取的信息量大幅上升，控制器在上传信息时，需要占据更大的频宽。但是由于各控制器需要安排有固定的频段，如果在设计之初就给各控制器预留下足够的频宽，那么每个局域网关对应的控制器的量将会较少。如果在设计之初就只给各控制器预留下恰好供地质情况稳定时上传信号的频宽，那么在地质传感器提高采样频率时，多个控制器发出的信号将容易发生信号拥堵，影响上传效果。
因此，局域网关与控制器之间无线信号传输的频段划分为常规频段和紧急频段，常规频段用于局域网关与控制器在地质情况稳定的情况下进行信号传输，紧急频段用于局域网关与控制器在地质情况不稳定的情况下进行信号传输。控制器在将检测信号中搭载的地质信息与预设阈值比较后，基于比较结果选择常规频段或者紧急频段将整体地质信息调制成相应频率的无线信号并发送至局域网关。举个例子，当在地质状况稳定时，控制器选择常规频段将整体地质信息调制成无线信号并发送至局域网关，此时紧急频段是闲置的。当某一片区或某几个片区的地质情况不稳定时，控制器将上传信号的频段调整至紧急频段并将检测到的地质信息基于紧急频段高速上传至局域网关和服务器。
此外，控制器还基于检测信号中搭载的地质信息与预设阈值的比较结果控制地质传感器提高或降低检测频率。举个例子，当地质状况稳定时，控制器控制地质传感器降低检测频率，在本实施例中，地质传感器在检测信号低于预设阈值时的检测频率为10~30min/次。当地质状况不稳定时，控制器控制地质传感器提高检测频率，在本实施例中，地质传感器在检测信号高于预设阈值时的检测频率为5~10s/次。这里也可以看出，地质状况稳定和不稳定两种情况下，地质传感器的采集频率相差上百倍之多。
此外，局域网关至少无线连接于30个探测组，各个探测组内的控制器至少电线连接于4个地质传感器。多个地质传感器电线连于控制器以进行供电和通讯，以单个控制器整合多个地质传感器采集到的信息再无线上传，大大节约了频带，以保证在紧急情况下探测组不发生拥堵。就紧急频带的设置与否而言，如果在设计之初就给各控制器预留下足够的频宽，则每个局域网关只能支持不多于15个探测组。但是在设计之初就只给各控制器预留下恰好供地质情况稳定时上传信号的频宽并同时设置紧急频段以供应急使用，则局域网关至少能够支持30个探测组。
此外，控制器内设置有缓存区，缓存区用于在控制器处于离线状态时将接收到的检测信号存储为缓存信息，控制器在恢复在线状态时读取缓存区内的缓存信息并上传局域网关。当外界环境较为恶劣、频道占用或数据拥塞时，比如暴雨或者雷暴天气影响无线信号的输出时，控制器将转入离线状态，并将收集到的检测信号存储为缓存信息，直至与局域网关恢复通讯，再读取缓存区的信息并上传。因此对通信干扰、频道占用、数据拥塞具有很好的抵抗能力。从另一方面而言，之所以不采用缓存形式解决频道拥堵问题，一方面是在于地质状况的判定需要实时依据检测到的地质信息得知。正常情况下信号的采集速度慢，为10~30min/次，如果进行缓存，将会产生几个小时甚至半天的耽误，将会导致。
本申请实施例还公开一种基于LoRa双频段网关与节点的数据采集系统，包括以下步骤：
检测片区各处的单一地质信息；
收集单一地质信息并整合成整体地质信息；
将整体地质信息搭载在无线信号上并将无线信号发送到局域网关。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
