基于LoRa的隧道内有害气体浓度自动检测系统的制作方法

本发明涉及隧道环境监测，具体为基于lora的隧道内有害气体浓度自动检测系统。

背景技术：

1、隧道内有害气体浓度监测依赖大量部署的无线传感器节点，传感器节点采集到的浓度数据通过无线链路回传至lora基站。现有的lora监测系统在接收传感器节点数据时，通常按照固定的空中传播速率和扩频因子完成信号解调，传感器节点与基站之间的通信参数在部署阶段一次性配置完成。隧道环境相对封闭，车辆通行引起的空气扰动、温湿度变化以及隧道壁反射会造成多径传播条件的持续波动，固定配置方式难以适应实时的信道状态变化。当隧道内信道质量变差时，基站仍保持原有扩频因子进行解调，容易产生解调失败，导致气体浓度采样值丢失；当信道质量改善时，又无法及时降低冗余增益，导致传感器节点的空中传输时间偏长和能耗增加。同时，基站接收到气体浓度采样值后，通常采用逐帧立即上传至网关的方式，在传感器节点较多且采样周期相近时，会在短时间内形成大量上行突发流量，加重网关侧的处理负担。现有方案还缺乏对传感器节点实时传播速率的有效估计手段，只能依赖预设的固定参数，无法根据传播速率变化对下一个接收周期的解调参数进行调整。因此，隧道内有害气体监测需要解决扩频因子对实时传播状态适应性不足以及采样值集中上报形成突发负荷的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于lora的隧道内有害气体浓度自动检测系统。该系统通过对接收扩频信号中前导码字段的码片速率与信号带宽进行计算，获得传感器节点的实时空中传播速率，并以该速率与标准空中传播速率之间的差异为依据调整基站下一帧接收时的扩频因子，使解调参数随隧道内实时传播条件动态改变；同时，将更新后的气体浓度采样值按时间顺序缓存，在采样值数量达到预设门限后统一封装为上行数据帧发送至网关，以减小频繁逐帧上报造成的上行流量冲击。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于lora的隧道内有害气体浓度自动检测系统，包括信号接收模块、解析提取模块、速率计算模块、因子调整模块、解调更新模块和缓存上报模块。信号接收模块通过布设在隧道内的lora基站接收传感器节点发送的扩频信号；解析提取模块解析所述扩频信号中的前导码字段与有效载荷字段，从所述有效载荷字段中提取气体浓度采样值；速率计算模块根据所述前导码字段的码片速率与所述扩频信号的带宽比值，计算所述传感器节点的实时空中传播速率；因子调整模块利用所述实时空中传播速率与预设的标准空中传播速率之间的差值，调整所述lora基站接收下一帧扩频信号时的扩频因子；解调更新模块基于调整后的所述扩频因子，配置所述lora基站对后续接收到的扩频信号进行解调，获取更新后的气体浓度采样值；缓存上报模块将所述更新后的气体浓度采样值按时间顺序填充至缓冲区，当所述缓冲区内的采样值数量达到预设门限时，触发所述lora基站将所述缓冲区内的所有采样值封装为上行数据帧并发送至网关。通过上述模块的协同工作，系统能够根据隧道内lora信道的实时传播状态自适应调整解调参数，在保证气体浓度采样数据有效接收的同时提升数据传输效率。

3、作为本发明的一个优选技术方案，所述速率计算模块从所述扩频信号中提取所述前导码字段的码片速率参数和所述扩频信号的信号带宽参数；将所述码片速率参数除以所述信号带宽参数，得到所述传感器节点的实时空中传播速率；将计算得到的所述实时空中传播速率与所述传感器节点的历史空中传播速率进行加权滑动平均，得到平滑后的实时空中传播速率；将所述平滑后的实时空中传播速率作为所述传感器节点的当前空中传播速率输出。该方案能够降低瞬时速率波动对扩频因子调整的影响，使系统在隧道内多径和衰落环境下保持更稳定的解调性能。

4、作为本发明的一个优选技术方案，所述因子调整模块计算所述实时空中传播速率与所述标准空中传播速率之间的差值绝对值；当所述差值绝对值大于第一速率阈值时，将所述扩频因子减小一个档位；当所述差值绝对值小于第二速率阈值时，将所述扩频因子增大一个档位；当所述差值绝对值介于所述第一速率阈值与所述第二速率阈值之间时，保持所述扩频因子不变；将调整后的所述扩频因子作为所述lora基站接收下一帧扩频信号时的解调参数。通过差值阈值比较方式，能够在信道质量变化时快速调整扩频因子，并避免频繁调整引起的接收不稳定。

5、作为本发明的一个优选技术方案，所述解调更新模块将调整后的所述扩频因子写入所述lora基站的接收寄存器中；控制所述lora基站的数字解调器按照所述接收寄存器中的扩频因子，对后续接收到的扩频信号进行解扩处理；从解扩处理后得到的基带信号中提取所述有效载荷字段，并对所述有效载荷字段进行循环冗余校验；当所述循环冗余校验通过时，从校验通过的所述有效载荷字段中解析出所述更新后的气体浓度采样值。通过循环冗余校验机制，系统能够过滤误码数据，提高上报气体浓度采样值的可靠性。

6、作为本发明的一个优选技术方案，所述缓存上报模块获取所述更新后的气体浓度采样值对应的时间戳，将所述时间戳与所述更新后的气体浓度采样值关联存储至所述缓冲区；统计所述缓冲区中已存储的采样值数量，并将所述采样值数量与所述预设门限进行比较；当所述采样值数量等于所述预设门限时，从所述缓冲区中取出所有采样值及其对应的时间戳；将取出的所有采样值及其对应的时间戳按时间顺序拼接为有效载荷，在所述有效载荷前添加帧头与地址字段，生成所述上行数据帧。该批量上报方式减少了基站与网关之间的信令交互次数，降低上行链路负载。

7、作为本发明的一个优选技术方案，所述加权滑动平均的权重系数根据所述传感器节点与所述lora基站之间的相对移动速度动态调整，所述相对移动速度越大则当前实时空中传播速率的权重越高。如此可以在传感器节点移动速度变化时提高速率估计的实时性。

8、作为本发明的一个优选技术方案，当所述差值绝对值大于所述第一速率阈值时，若当前扩频因子已达到lora协议允许的最小值，则维持当前扩频因子不变并生成扩频因子越限告警。该方式防止扩频因子超出协议允许范围，并使维护人员能够及时获知信道异常状态。

9、作为本发明的一个优选技术方案，所述第一速率阈值和所述第二速率阈值根据隧道内当前环境噪声强度动态更新。通过动态阈值适应隧道内不同时段和不同区段的噪声变化，提高扩频因子调整的准确性。

10、作为本发明的一个优选技术方案，当所述循环冗余校验未通过时，丢弃当前接收的扩频信号，并在下一个接收时隙重新尝试解调同一传感器节点重发的扩频信号，若连续重试失败次数超过预设次数则上报链路异常。该方式能够容忍偶发误码，同时对持续链路故障进行告警。

11、作为本发明的一个优选技术方案，所述缓冲区为环形缓冲区，当所述缓冲区已满且尚未达到所述预设门限时，按照时间先后顺序覆盖最早的采样值，并在覆盖时记录覆盖事件日志。该方式确保系统在采样值较多时仍能持续运行，并通过日志保留覆盖记录。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、根据前导码字段的码片速率与扩频信号带宽的比值计算传感器节点的实时空中传播速率，使传播速率的获取不依赖额外的信道测量设备，直接利用已接收扩频信号中前导码携带的物理层参数完成估计。在得到实时空中传播速率后，将计算值与历史空中传播速率进行加权滑动平均，抑制单次估计中的瞬时波动，提高后续扩频因子调整的稳定性。实时空中传播速率与标准空中传播速率之间的差值可反映当前隧道信道状态相对于基准条件的偏移程度，将该差值作为调整下一帧接收扩频因子的依据，使扩频因子的调整与实时传播状态直接关联。当差值绝对值大于第一速率阈值时减小扩频因子一个档位，当差值绝对值小于第二速率阈值时增大扩频因子一个档位，差值介于两者之间时保持扩频因子不变，形成分区间调整方式，避免扩频因子频繁切换引入解调不稳定。基于该方式，隧道内传播条件变化后，基站在下一帧接收时即采用与当前传播状态匹配的扩频因子进行解调，信道质量变差时增大扩频因子以获得更高的解调增益，信道质量改善时减小扩频因子以降低传输时间和传感器节点能耗。

14、在获取更新后的气体浓度采样值后，将每个采样值与其时间戳关联写入缓冲区，并统计缓冲区中已存储的采样值数量，当数量达到预设门限时才从缓冲区取出全部采样值，按时间顺序拼接为有效载荷并添加帧头与地址字段，生成上行数据帧发送至网关。该上报方式将多个采样值汇聚为一个上行数据帧，减少上行帧数量和帧头开销，同时避免多个传感器节点的采样值逐帧上传时在网关侧形成突发流量，使上行数据发送过程与采样值产生过程解耦，网关在每个上报周期内接收到的数据量趋于均匀，降低网关处理压力。缓存过程中采用环形缓冲区并按时间先后顺序覆盖最早的采样值，可保证缓存空间有限时仍能保留较新的气体浓度采样值。通过对覆盖事件的记录，可追溯因缓存空间不足而丢弃的旧采样值，保证数据上报行为的可观测性。在解调后续扩频信号时，将调整后的扩频因子写入接收寄存器并控制数字解调器按该扩频因子进行解扩，解扩后对有效载荷字段执行循环冗余校验，校验未通过时丢弃当前扩频信号并在下一个接收时隙重试，连续失败次数超过预设次数则上报链路异常，从而避免错误采样值进入缓存和上报流程，同时使链路异常状态得到及时反馈。综上，上述方式能够在不改变传感器节点硬件结构的基础上实现解调参数的自适应调整，并改善采样值上报过程的流量分布。