CN112363207A - 一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***及监测方法，属于地震监测技术领域。地震监测***包括：LoRa终端节点、LoRa基站、云服务器和用户平台，LoRa终端节点和LoRa基站数据互通，LoRa基站和云服务器数据互通，云服务器和用户平台数据互通。本发明借助LoRa通信实现了低功耗的用于地震监测的组网，同时解决了在地震发生时传统有线组网线路断路的问题，以及无线组网中的基站节点损坏情况下的数据传输问题，建立起稳定可靠的地震监测***。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***及监测方法，属于地震监测技术领域。
背景技术
近年来我国地震灾害频发，如芦山地震和汶川地震等，对人们的生命安全和财产造成了巨大损失。如今城市化进程的加快使人口与财富高度集中，城市向大型化、复杂化发展的负面影响就是在地震面前变得越发脆弱。所以，实现地震灾害风险实时监测并进行进一步的精准动态评估，对地震灾害的分析和预防起到很重要的作用，是减轻区域与城市地震灾害迫切需要的重要技术手段。
目前我国的地震监测覆盖密度还很低。传统有线网络组网不够灵活，而且容易在地震发生时发生线路中断，无法可靠传输采集到的地震信息；而传统的无线通信技术如Zigbee、蓝牙、WiFi等又存在穿透能力差、抗干扰能力弱等缺陷。而LoRa(Long Range)技术作为低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network，LPWAN)中的重要组成，将数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码等多项技术融合在一起，能够克服这些缺点。将LoRa无线传输网络应用于地震监测，可以很好地满足地震监测***长距离通讯、离散布点、抗干扰能力强、低功耗等要求。另外考虑到在地震发生或其他意外情况时，LoRa基站节点可能损坏，采用AODV协议动态路由组网的方式，来让损坏基站节点下的采集节点能够将数据传到可用的其他的基站节点,能够使监测***能够更加稳定可靠。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***及监测方法，以解决现有的地震监测***中，有线线路容易在地震中中断，无法可靠传输采集到的地震信息；而无线线路穿透能力差、抗干扰能力弱的缺陷。
一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，所述地震监测***包括：LoRa终端节点、LoRa基站、云服务器和用户平台，所述LoRa终端节点和LoRa基站数据互通，所述LoRa基站和云服务器数据互通，所述云服务器和用户平台数据互通。
进一步的，所述LoRa终端节点用于将采集到的地震数据通过LoRa网络传输至所述LoRa基站，所述LoRa基站用于通过4G网络将所述地震数据储存到所述云服务器上，所述云服务器用于向所述用户平台提供采集到的地震数据，所述用户平台用于根据采集到的地震数据进行分析处理，并对采集相关参数进行设置，再依次通过所述云服务器和LoRa基站传回所述LoRa终端节点。
进一步的，所述LoRa终端节点包括传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块、LoRa射频模块和第一电源模块，所述传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块依次信号互通，所述第一电源模块为所述传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块供电。
进一步的，所述传感器模块，用于检测地震波并采集地震信号，将地震信息转换成模拟电信号；
所述滤波器模块，用于将所述模拟电信号中无用的干扰信号滤除；
所述AD采样模块，用于通过AD芯片对滤波后的模拟电信号进行采样和模数转换，将转换后得到的数字信号传到所述第一主控模块；
所述第一主控模块，包括主控芯片和***的存储器，用于配置所述AD采样模块和LoRa射频模块，所述主控芯片控制向所述存储器存入和读取采集到的数字信号，并进行条件判断，满足条件则判定地震发生，将采集到的数字信号通过所述LoRa射频模块发送给目标LoRa基站或者LoRa终端节点，负责AODV协议的底层功能实现；
所述LoRa射频模块，用于将要发送的地震数据发送出去；
所述第一电源模块：用于为所述传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块供电。
进一步的，所述LoRa基站包括LoRa模块、第二主控模块、4G模块和第二电源模块，所述LoRa模块、第二主控模块和4G模块依次信号互通，所述第二电源模块为所述LoRa模块、第二主控模块和4G模块供电。
进一步的，所述LoRa模块，用于与LoRa终端节点通信，发送和接收数据；
所述第二主控模块，用于进行所述LoRa基站接受数据和发送数据的控制和处理，负责AODV协议的底层功能实现；
所述4G模块，用于将整合好的采集数据通过4G网络上传到所述云服务器，并接收所述云服务器的指令。
一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***的监测方法，应用于上述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，所述监测方法包括以下步骤：
步骤一、各节点设备安放、上电及配置初始化：
按照观测的要求在需要的地点安放好LoRa终端节点和LoRa基站，启动第一电源模块和第二电源模块，对LoRa终端节点的主控芯片烧录程序，完成对AD芯片、LoRa模块和4G模块的相关配置，保证各LoRa终端节点和LoRa基站正常运行；
步骤二、判断是否有地震发生：
传感器采集到的信号经过滤波和AD转换后进入到第一主控模块，在第一主控模块中，通过监测采集信号的幅值，判断是否有异常数据，当数据的幅值没有超出阈值时，将采集到的数据存入第一主控模块的存储器中，并在一段时间后丢弃，防止存储器溢出；当数据中有幅值超出阈值时，判断有地震发生，将此前10S和此后20S的数据连同时间信息、位置编号等信息封装成帧；
步骤三、RoLa终端节点将数据发送出去：
先判断是否能与对应的RoLa基站建立连接，如果对应的RoLa基站没有损坏，则所述RoLa终端节点在信道空闲时将数据帧发送给对应的LoRa基站；如果检测到此基站已经损坏，则利用AODV协议进行自组网，以已知的其他的LoRa基站作为目的地址，按照AODV协议广播RREQ路由请求，建立一条有效的路由通道，然后将封装好的数据帧依次按照路由路径发送给建立有效路由通道的其他的LoRa基站；
步骤四、LoRa基站接收数据帧并存储：
LoRa基站接收到各LoRa终端节点的数据帧后，将各个帧依次存储，然后拆开帧，将各个帧信息再依次整合，添加时间信息和基站标识等后进行封装；
步骤五、LoRa基站将数据上传到云服务器：
LoRa基站利用4G模块与云服务器建立连接，将封装好的帧上传到云服务器上；
步骤六、用户获得数据：
数据上传到云服务器之后，用户通过用户平台登录到云服务器，通过网络在线查看或将数据下载到本地以进行进一步的研究和分析。
本发明的主要优点是：本发明涉及一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***及监测方法，本发明借助LoRa通信实现了低功耗的用于地震监测的组网，同时解决了在地震发生时传统有线组网线路断路的问题，以及无线组网中的基站节点损坏情况下的数据传输问题，建立起稳定可靠的地震监测***。
附图说明
图1为本发明的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***的***结构总框图；
图2为LoRa终端节点的模块结构图；
图3为LoRa基站的模块结构图；
图4为LoRa动态组网演示图；
图5为一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***的监测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，地震监测***包括：LoRa终端节点、LoRa基站、云服务器和用户平台，LoRa终端节点和LoRa基站数据互通，LoRa基站和云服务器数据互通，云服务器和用户平台数据互通。
LoRa终端节点用于将采集到的地震数据通过LoRa网络传输至LoRa基站，LoRa基站用于通过4G网络将地震数据储存到云服务器上，云服务器用于向用户平台提供采集到的地震数据，用户平台用于根据采集到的地震数据进行分析处理，并对采集相关参数进行设置，再依次通过云服务器和LoRa基站传回LoRa终端节点。
具体的，如图1所示，RoRa终端节点可以将采集到的地震数据通过LoRa网络传到LoRa基站，再借助LoRa基站节点与云服务器的4G连接将地震数据储存到云服务器上，然后用户可以很方便地利用互联网来访问服务器获得采集到的地震数据，完成数据分析处理，也可以对采集相关参数进行设置，再依次传到LoRa终端节点。
考虑到LoRa终端节点需要灵活地安放在满足探测条件的位置上，因此节点需要满足低功耗的要求。本***中的LoRa终端节点和LoRa基站均选取ST意法半导体公司生产的STM32F407ZGT6作为主控芯片，它是一款ARM Cortex-M4内核的32位微处理器，工作频率为168MHZ，运算能力满足终端节点和基站对性能上的硬件需求，同时功耗不高。
参照图2所示，LoRa终端节点包括传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块、LoRa射频模块和第一电源模块，传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块依次信号互通，第一电源模块为传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块供电。
传感器模块，用于检测地震波并采集地震信号，将地震信息转换成模拟电信号，传感器模块采用高精度的MEMS加速度传感器，共有三路输出通道；
滤波器模块，由于地震发生时复杂的环境影响因素，采集到的模拟电信号中混有干扰信号，选择0-80Hz作为通带，通过滤波器模块来滤除无用的干扰信号；
AD采样模块，用于通过AD芯片对滤波后的模拟电信号进行采样和模数转换，将转换后得到的数字信号传到第一主控模块，采用AD4111芯片，可以对三通道每秒采样200次；
第一主控模块，包括主控芯片和***的存储器，用于配置AD采样模块和LoRa射频模块，主控芯片控制向存储器存入和读取采集到的数字信号，并进行条件判断，满足条件则判定地震发生，将采集到的数字信号通过LoRa射频模块发送给目标LoRa基站或者LoRa终端节点。负责AODV协议的底层功能实现；
LoRa射频模块，用于将要发送的地震数据发送出去；
第一电源模块：用于为传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块供电。
参照图3所示，LoRa基站包括LoRa模块、第二主控模块、4G模块和第二电源模块，LoRa模块、第二主控模块和4G模块依次信号互通，第二电源模块为LoRa模块、第二主控模块和4G模块供电。
LoRa模块，用于与LoRa终端节点通信，发送和接收数据；
第二主控模块，用于进行LoRa基站接受数据和发送数据的控制和处理，负责AODV协议的底层功能实现；
4G模块，用于将整合好的采集数据通过4G网络上传到云服务器，并接收云服务器的指令。
具体的，LoRa终端节点实时将AD采集后的数据保存在存储器里，对于超过保存时间的数据进行丢弃。当检测到地震发生时进行触发，将震前10S和震后20S的经由LoRa模块发送出去。LoRa基站对接收到了LoRa信号数据进行整合，然后将数据通过4G传送到服务器。用户可以登录到服务器来获取数据并进行处理分析。
LoRa的组网有两种方式。在各LoRa基站节点都正常运行的情况下，采用星型拓扑结构，各终端LoRa节点可以直接与LoRa基站节点通信。而当地震发生时，LoRa基站节点很可能因为地震的影响而损坏，导致相对应的多个LoRa终端节点无法有效传递数据信号。为了解决这个问题，在LoRa基站节点损坏的情况下，我们采用AODV协议动态路由组网的方式。AODV协议(Ad hoc on-demand distance vector routing)是应用于无线自组织网络中进行路由选择的路由协议，能够实现单播和多播路由。该协议是自组织网络中按需生成路由方式的典型协议，用于特定网络中的可移动节点。它能在动态变化的点对点网络中确定一条到目的地的路由，并且具有接入速度快，计算量小，内存占用低，网络负荷轻等特点。
借助于AODV协议，损坏的LoRa基站接收范围内的任一LoRa终端节点都通过多跳路由后将发送数据传递到正常运作的LoRa基站，如图4所示。
参照图5所示，一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***的监测方法，应用于上述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，监测方法包括以下步骤：
步骤一、各节点设备安放、上电及配置初始化：
按照观测的要求在需要的地点安放好LoRa终端节点和LoRa基站，启动第一电源模块和第二电源模块，对LoRa终端节点的主控芯片烧录程序，完成对AD芯片、LoRa模块和4G模块的相关配置，保证各LoRa终端节点和LoRa基站正常运行；
步骤二、判断是否有地震发生：
传感器采集到的信号经过滤波和AD转换后进入到第一主控模块，在第一主控模块中，通过监测采集信号的幅值，判断是否有异常数据，当数据的幅值没有超出阈值时，将采集到的数据存入第一主控模块的存储器中，并在一段时间后丢弃，防止存储器溢出；当数据中有幅值超出阈值时，判断有地震发生，将此前10S和此后20S的数据连同时间信息、位置编号等信息封装成帧；
步骤三、RoLa终端节点将数据发送出去：
先判断是否能与对应的RoLa基站建立连接，如果对应的RoLa基站没有损坏，则RoLa终端节点在信道空闲时将数据帧发送给对应的LoRa基站；如果检测到此基站已经损坏，则利用AODV协议进行自组网，以已知的其他的LoRa基站作为目的地址，按照AODV协议广播RREQ路由请求，建立一条有效的路由通道，然后将封装好的数据帧依次按照路由路径发送给建立有效路由通道的其他的LoRa基站；
步骤四、LoRa基站接收数据帧并存储：
LoRa基站接收到各LoRa终端节点的数据帧后，将各个帧依次存储，然后拆开帧，将各个帧信息再依次整合，添加时间信息和基站标识等后进行封装；
步骤五、LoRa基站将数据上传到云服务器：
LoRa基站利用4G模块与云服务器建立连接，将封装好的帧上传到云服务器上；
步骤六、用户获得数据：
数据上传到云服务器之后，用户通过用户平台登录到云服务器，通过网络在线查看或将数据下载到本地以进行进一步的研究和分析。
本发明实现了一种稳定可靠，同时能够长期运行的低功耗地震数据采集***，对地震发生时的数据信息及时采集并组网传输，将数据提供给专业人员用于分析研究。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，所述地震监测***包括：LoRa终端节点、LoRa基站、云服务器和用户平台，所述LoRa终端节点和LoRa基站数据互通，所述LoRa基站和云服务器数据互通，所述云服务器和用户平台数据互通。
2.根据权利要求1所述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，所述LoRa终端节点用于将采集到的地震数据通过LoRa网络传输至所述LoRa基站，所述LoRa基站用于通过4G网络将所述地震数据储存到所述云服务器上，所述云服务器用于向所述用户平台提供采集到的地震数据，所述用户平台用于根据采集到的地震数据进行分析处理，并对采集相关参数进行设置，再依次通过所述云服务器和LoRa基站传回所述LoRa终端节点。
3.根据权利要求2所述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，所述LoRa终端节点包括传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块、LoRa射频模块和第一电源模块，所述传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块依次信号互通，所述第一电源模块为所述传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块供电。
4.根据权利要求3所述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，
所述传感器模块，用于检测地震波并采集地震信号，将地震信息转换成模拟电信号；
所述滤波器模块，用于将所述模拟电信号中无用的干扰信号滤除；
所述AD采样模块，用于通过AD芯片对滤波后的模拟电信号进行采样和模数转换，将转换后得到的数字信号传到所述第一主控模块；
所述第一主控模块，包括主控芯片和***的存储器，用于配置所述AD采样模块和LoRa射频模块，所述主控芯片控制向所述存储器存入和读取采集到的数字信号，并进行条件判断，满足条件则判定地震发生，将采集到的数字信号通过所述LoRa射频模块发送给目标LoRa基站或者LoRa终端节点，负责AODV协议的底层功能实现；
所述LoRa射频模块，用于将要发送的地震数据发送出去；
所述第一电源模块：用于为所述传感器模块、滤波器模块、AD采样模块、第一主控模块和LoRa射频模块供电。
5.根据权利要求2所述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，所述LoRa基站包括LoRa模块、第二主控模块、4G模块和第二电源模块，所述LoRa模块、第二主控模块和4G模块依次信号互通，所述第二电源模块为所述LoRa模块、第二主控模块和4G模块供电。
6.根据权利要求5所述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，
所述LoRa模块，用于与LoRa终端节点通信，发送和接收数据；
所述第二主控模块，用于进行所述LoRa基站接受数据和发送数据的控制和处理，负责AODV协议的底层功能实现；
所述4G模块，用于将整合好的采集数据通过4G网络上传到所述云服务器，并接收所述云服务器的指令。
7.一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***的监测方法，应用于权利要求1-6任一项所述的一种基于AODV协议的LoRa组网地震监测***，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：
步骤一、各节点设备安放、上电及配置初始化：
按照观测的要求在需要的地点安放好LoRa终端节点和LoRa基站，启动第一电源模块和第二电源模块，对LoRa终端节点的主控芯片烧录程序，完成对AD芯片、LoRa模块和4G模块的相关配置，保证各LoRa终端节点和LoRa基站正常运行；
步骤二、判断是否有地震发生：
传感器采集到的信号经过滤波和AD转换后进入到第一主控模块，在第一主控模块中，通过监测采集信号的幅值，判断是否有异常数据，当数据的幅值没有超出阈值时，将采集到的数据存入第一主控模块的存储器中，并在一段时间后丢弃，防止存储器溢出；当数据中有幅值超出阈值时，判断有地震发生，将此前10S和此后20S的数据连同时间信息、位置编号等信息封装成帧；
步骤三、RoLa终端节点将数据发送出去：
先判断是否能与对应的RoLa基站建立连接，如果对应的RoLa基站没有损坏，则所述RoLa终端节点在信道空闲时将数据帧发送给对应的LoRa基站；如果检测到此基站已经损坏，则利用AODV协议进行自组网，以已知的其他的LoRa基站作为目的地址，按照AODV协议广播RREQ路由请求，建立一条有效的路由通道，然后将封装好的数据帧依次按照路由路径发送给建立有效路由通道的其他的LoRa基站；
步骤四、LoRa基站接收数据帧并存储：
LoRa基站接收到各LoRa终端节点的数据帧后，将各个帧依次存储，然后拆开帧，将各个帧信息再依次整合，添加时间信息和基站标识等后进行封装；
步骤五、LoRa基站将数据上传到云服务器：
LoRa基站利用4G模块与云服务器建立连接，将封装好的帧上传到云服务器上；
步骤六、用户获得数据：
数据上传到云服务器之后，用户通过用户平台登录到云服务器，通过网络在线查看或将数据下载到本地以进行进一步的研究和分析。
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