孙恺 黄采伦 田勇军 戴长城 黄华曦

摘 要：为了满足战后扫雷的实际需求，针对现有雷场探测技术的不足，设计基于多源信息同步探测、具有雷场扫描探测和疑似目标探测两种工作模式的雷场探测系统。系统由一个设置在安全位置的探测控制主机和多个具有飞行、探测功能的探测分机组成。采用基于LoRa的无线通信技术，进行LoRa无线通信模块硬件电路设计与动态自组网方式设计，并以Mesh网络拓扑实现自组网。最后，在雷场探测模拟试验场环境下对系统进行测试，在不同通信距离条件下对系统传输功率及丢包率的测试结果表明，该系统能满足雷场探测过程中的多任务处理要求。

关键词：雷场探测;LoRa;动态自组网;Mesh网络

DOI：10. 11907/rjdk. 201194

中图分类号：TP301文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）010-0184-06

Abstract：Aiming at the shortcomings of existing minefield detection technology and the actual needs of post-war mine clearance， this paper designs a minefield detection system based on multi-source information synchronous detection with minefield scanning detection and suspected target detection modes. The system consists of a detection control host set in a safe position and multiple detection extensions with flight and detection functions. The system uses LoRa-based wireless communication technology and implements an ad hoc network with a Mesh network topology. This paper designs the hardware circuit of LoRa wireless communication module and the dynamic ad hoc networking method， and complets the Mesh networking and software implementation of the system. Finally， the system is tested in the environment of radar detection simulation test field. The test results of the systems transmission power and packet loss rate under different communication distance conditions show that the system and method can meet the multitasking requirements of the minefield detection process.

Key Words：minefield detection;LoRa;dynamic ad hoc network;Mesh network

0 引言

地雷探测设备及地雷探测系统种类繁多，采用的技术也各不相同，但地雷探测基本原理都是一致的，即利用地雷中某种物质的物理或化学特性差异进行检测[1-2]。随着科技的发展以及各国对战后遗留地雷问题的广泛关注，地雷探测问题已成为国际社会关注的热点问题。传统大多采用人工探测的方式排查地雷，危险性极高。之后又应用红外成像探测、超声波探测等多种地雷探测技术，但这些探测技术都存在一定局限性，例如广泛使用的金属探测器存在探测效率及准确率低等缺点[3-6]。针对现有地雷探测方法的不足，本文基于UWB（Ultra Wide Band）雷达波、脉冲电磁感应、天然电磁场等多种探测技术，并结合飞行控制與避障、RTK-GPS定位、WSN组网控制、同步探测与多源信息融合反演等方法，构建一主（1个探测控制主机）多从（N个探测分机）的复合雷场探测系统。

考虑到复合雷场探测系统中运用多种探测技术以及不同探测方式完成探测任务，雷场探测需要多种控制指令实现探测过程中探测控制主机对各个探测分机的探测任务控制。因此，WSN需满足远距离传输、低功耗、低成本等雷场探测控制指令传输要求。目前常用于WSN的无线通信技术有WiFi、Zigbee、LoRa、4G等[7]。其中，WiFi开发简单、组网便捷，但仅限于百米内的短距离传输[8-9];Zigbee同样也只适用于短距离传输[10-13]，且工作在2.4GHz频段时容易受到其它信号干扰;LoRa技术结合了扩频调制和线性调频两种方法的优势，在空旷环境中的传输距离可达几千米[14-15];4G通信技术虽然数据传输速率较快，理论上可达到100Mbit/s，但由于在偏远地区4G基站数量较少，甚至无4G基站，导致4G网络不能完全覆盖所有地区，且网络信号较弱。通过综合分析与比较，LoRa能较好地满足远距离传输、低功耗等雷场探测过程中的无线传输要求。

因此，本文选用LoRa无线通信技术和Mesh网络拓扑结构实现雷场探测控制指令传输。LoRa将数字扩频和前向纠错码等技术融合在一起，具有极强的抗干扰能力，适用于远距离、低功耗以及对传输速率、数据容量要求不高的应用场景[16-17];采用Mesh网络拓扑结构实现自组网网络，具有网络稳定、网络部署速度快、无需复杂配置、网络覆盖范围大、可通过增加节点方式扩大网络范围等优势[18-19]。通过实验进行验证，结果表明，基于LoRa的雷场探测系统动态自组网可满足雷场探测过程中的多任务处理要求。

1 雷场探测系统总体结构设计

1.1 雷场探测系统总体设计

雷场探测系统由探测控制主机以及具有飞行与多源信息探测功能的探测分机群组成。探测控制主机根据雷场探测区域面积和探测任务要求规划分配探测工作、布置探测分机数量，对探测数据进行反演、成图显示并生成探测报告。探测控制主机具备雷场探测区域航线规划、探测分机飞行控制与同步探测控制功能;探测分机具备LoRa通信功能，并集成了UWB雷达波、脉冲电磁感应、天然电场3种雷场探测技术。雷场探测系统框架如图1所示。

在进行雷场探测时，将探测控制主机布置在探测区域200m外的安全位置，以无线、远距离传输方式操控探测分机低空飞行执行探测任务。在探测完成返回后，控制探测分机同步完成探测数据的反演，然后将反演结果传输给探测控制主机进行成图显示，并生成探测报告。雷场探测系统具有雷场扫描探测、疑似目标探测两种工作模式，首先在探测区域进行雷场扫描探测，根据探测结果确定疑似区域，进而对疑似区域进行疑似目标探测。在两种工作模式下，探测分机采用不同的飞行编队，因此探测过程中的动态自组网网络结构也将根据飞行编队的变化而改变。

1.2 雷场扫描探测模式

雷场扫描探测时，N个探测分机采用“一”字型飞行编队进行飞行，因此其动态自组网网络结构也将采用“一”字型结构。雷场扫描探测的动态自组网网络结构由一个与探测控制主机连接的LoRa通信主基站和N个（N根据雷场区域大小而定）与探测分机连接的LoRa通信分基站组成。每个探测分机上均集成有一个数据采集模块，每个数据采集模块可采用UWB雷达波、脉冲电磁感应、天然电场3种探测方式。在雷场扫描探测过程中，探测分机使用3种方式进行分时、同步探测。每次探测时，探测控制主机在当前RTK-GPS定位输出脉冲的上升沿，通过LoRa通信主基站发送“探测预备”指令给在探测区域上空飞行的N个探测分机上的LoRa通信分基站，LoRa通信分基站将接收到的控制指令传输给探测分机的探测MCU，各探测分机在下一个RTK-GPS定位输出脉冲的上升沿同步执行探测任务。雷场扫描探测模式如图2所示。

数据采集模块由探测分机搭载，以一个“一”字型编队进行探测区域扫描。探测分机采用波束角为90°的发射接收天线，其飞行高度h等于发射波束在地面投影圆的半径r（见图2）。因此，设置各探测分机的间距d=2r，并按等间距分布。根据探测区域大小、探测精度要求、雷场环境等调节探测分机飞行高度和飞行间距。

1.3 疑似目标探测模式

疑似目标探测模式网络架构如图3所示，由1个探测控制主机和7个探测分机组成，探测控制主机布置在疑似区域外D≥200m的安全位置。7个探测分机按“正六边型”编队方式进行飞行与探测，探测分机0为长机，1-6为僚机。长机接受探测控制主机通过LoRa发送的飞行与探测指令，然后通过LoRa动态自组网控制僚机一起完成飞行与探测任务。

在疑似目标探测模式下，采用如图3所示的探测方案进行疑似目标探测与识别。该探测模式由1个设置在发射/接收状态的长机和6个设置在接收状态的僚机组成，在探测控制主机的控制下对疑似目标区域进行分时、同步探测。由于探测天线波束角均为90o，因此发射波束在地面的投影半径r等于探测分机0的飞行高度h。设探测区域为平面，将探测分机1-6均匀布置在高度h、半径r的圆周上，则探测分机0发射/接收的有效投影范围（实线区域）、发射/接收的有效接收范围（虚线区域）如图4所示。

2 基于LoRa的动态自组网设计

2.1 探测模块硬件结构设计

在雷场探测动态自组网系统设计中，系统硬件包括探测控制主机模块和数据采集模块。在探测分机中，将LoRa通信分基站集成在数据采集模块上，其电路框架如图5所示，主要包括主控芯片TMS320C6726以及外围时钟电路、复位电路、存储器、锂电池、电源电路、UWB雷达波探测电路、脉冲电磁感应探测电路、天然电场探测电路、RTK-GPS、LoRa通信分基站电路等。

LoRa通信主基站与各个LoRa通信分基站均选择Sx1278作为射频芯片，LoRa无线通信电路由Semtech Sx1278芯片及其外围电路组成。Sx1278芯片采用的LoRaTM调制解调器可用于超长距离通信，抗干扰能力强，能够最大限度地降低电流消耗[20]，接收灵敏度最高可达到-148dBm。LoRaTM调制解调器采用循环纠错码进行前向错误检测与纠错，提高了链路的鲁棒性。同时，LoRaTM扩频调制方法灵活性较强，使用者可根据实际需求自由设置频带宽度（BW）、扩频因子（SF）和纠错率（CR）等[21]。Sx1278电路原理如图6所示。

数据采集模块主控芯片为TMS320C6726，用于控制探测数据采集、探测数据预处理，以及LoRa通信控制指令的收发等。TMS320C6726主控芯片特点是多个功能单元可以并行工作，在单个时钟周期内能够同时实现多条指令的并行执行，有较强的数据处理能力，并配备功能强大的指令系统。

2.2 基于LoRa的动态自组网

根据上文所述的探测系统结构，以下基于LoRa的动态自组网也包括雷场扫描探测模式动态自组网和疑似目标探测模式动态自组网。两种组网方式基本相同，主要为：LoRa通信主基站发送各种控制指令后，各数据采集节点都按照约定的GPS脉冲同步开始执行控制指令，根据返回数据包携带的地址信息与数据采集节点建立路由列表，并对其进行维护。如果数据采集节点通信失败，则进行多次通信连接;多次连接若仍未成功，则会将数据采集节点重新连接入网并进行入网认证，进而保证雷场探测系统动态自组网节点的完整性。若多次建立路由失败，无法与该数据采集节点进行通信，则判断该数据采集节点退出雷场探测自组网系统。

两种组网具体实施过程如下：

（1）雷场扫描探测模式。雷场扫描探测模式组网示意图如图7所示，探测控制主机根据雷场区域大小和环境信息完成航线规划，并配置LoRa动态自组网系统的探测分機数量。各探测分机完成上电、LoRa动态自组网后，到达雷场探测区域规划航线起始位置。LoRa通信主基站与各个LoRa通信分基站之间以广播形式发送同步探测控制指令数据包，并接收各个LoRa通信分基站回复的成功应答数据包。探测分机飞行到规划航线终点位置并完成探测任务后，在探测控制主机的控制下返回到探测控制主机附近区域降落，然后与探测控制主机一起对探测数据进行多源信息融合、地雷特征识别与同步三维反演运算，分析出疑似地雷区域位置、面积等信息。

（2）疑似目标探测模式。疑似目标探测模式组网示意图如图8所示，探测控制主机根据雷场扫描探测结果进行飞行航线规划，并配置LoRa动态自组网系统的数据采集节点数量。各探测分机完成上电、LoRa动态自组网后，飞行到疑似地雷区域起始边缘。LoRa通信主基站与长机LoRa通信分基站S0之间进行定点单播通信，以发送同步探测控制指令数据包，并接收LoRa通信分基站S0回复的成功应答数据包;僚机LoRa通信分基站S1-S6与长机LoRa通信分基站S0之间进行动态自组网，在探测控制主机的控制下进行疑似目标探测任务。探测分机完成疑似目标探测任务后，按照设置的航线返回起始位置并降落，与探测控制主机一起对探测数据进行多源信息融合、地雷特征识别与同步三维反演运算，对两种探测方式的多次探测结果进行分析，得出探测雷场区域的地雷数量、精准位置等信息。

3 系统Mesh组网与软件实现

3.1 系统Mesh组网

在雷场扫描探测模式和疑似目标探测模式下，探测控制主机与N个数据采集节点构成Mesh网络拓扑，探测控制主机到N个数据采集节点之间以广播形式或定点单播形式进行探测控制指令数据传输，N个数据采集节点到探测控制主机之间以单播形式进行通信。Mesh网络拓扑结构由探测控制主机进行集中管理，各数据采集节点均与探测控制主机进行通信，探测控制主机与各数据采集节点的数据传输均可经过多跳完成。雷场探测系统动态自组网网络拓扑简单、通信数据量少，Mesh网络拓扑可满足雷场探测系统动态自组网的要求。

不同于传统集中式无线网络受限于发射功率而导致网络覆盖范围小、通信距离相对较短等，Mesh网络可以扩大无线网络通信范围，避免通信盲区。由于多跳机制的存在，网络中各个节点可以相互作为中继，建立多跳通信链路，并构成网状结构。网状结构灵活性较强，能够快速完成网络配置，并提升网络的容错能力和连通性。

3.2 系统通信软件实现

（1）数据帧格式。为满足雷场探测系统中3种探测技术同步探测，以及LoRa通信主基站与各个LoRa通信分基站之间的控制指令传输，将发送数据帧中用户数据字段的第一个字节设置为控制命令字符进行控制命令传输，在禁止路由、自动路由与强制路由模式下发送数据帧负荷格式（见表1）。

节点地址：表示发送数据的目标地址;ACK请求：00表示无需应答，01表示需要应答;发送半径：01-07表示1-7跳;路由方式：00表示禁止路由，01表示自动路由，02表示强制路由，03表示源路由;数据长度：表示用户数据字节数;用户数据：第一个字节表示控制指令，00表示开始UWB雷达波同步数据采集，01表示结束UWB雷达波同步数据采集，02表示开始脉冲电磁感应同步数据采集，03表示结束脉冲电磁感应同步数据采集，04表示开始天然电场同步数据采集，05表示结束天然电场同步数据采集，06表示开始同步探测数据传输，07表示结束同步探测数据传输，08表示开始同步多源信息融合运算，09表示结束同步多源信息融合运算，0A表示开始同步地雷特征识别运算，0B表示结束同步地雷特征识别运算，0C表示开始同步三维反演运算，0D表示结束同步三维反演运算。在禁止路由、自动路由与强制路由模式下，应答帧负荷格式如表2所示。

节点地址：表示发送数据的目标地址;应答信息：07表示未找到路由，00表示发送成功。

在禁止路由、自動路由与强制路由模式下，接收数据帧负荷格式如表3所示。

数据来源地址：表示数据是从哪个节点传输过来的;信号强度：数值越大说明接收信号越好;数据长度：表示用户数据字节数;用户数据：第一个字节表示控制指令，其定义与发送数据帧负荷格式一致。

（2）控制指令发送。探测控制主机的LoRa通信模块上电，开始初始化，配置网络串口参数，包括串口、波特率、无线频率、发射功率、串口校验、串口速率等，完成自组网。LoRa无线通信模块在待机模式下将数据写入FIFO缓存，LoRa通信主基站以广播形式发送数据包（控制指令）给各个LoRa通信分基站，数据包发送完成后，查看是否接收到所有LoRa通信分基站的成功应答信息，若未完成接收，则重新广播发送数据包;若完成接收，判断是否有待发数据包。如果有，则将待发送数据写入FIFO中，如果没有，则结束发送流程。探测控制主机发送数据包流程如图9所示。

（3）控制指令接收。各个探测分机电源开启后， LoRa通信分基站上电，数据采集节点初始化，配置网络串口参数，包括串口、波特率、无线频率、发射功率、串口校验、串口速率等，完成自组网。各探测分机到达雷场探测区域起始或终止处（飞行航线起点或终点），接收到探测控制主机发来的数据包（控制指令），按照预设的GPS同步脉冲开始执行控制指令。探测分机接收数据包流程如图10所示。

4 系统测试与结果

本文对基于LoRa的动态自组网系统进行实验验证，主要包括自组网时间、不同发射功率下的通信速率和丢包率等。测试场地为湖南科技大学雷场探测技术实验场，实验场区为300*500m模拟雷场环境。在该模拟雷场环境下，影响通信因素的有树木、建筑物、4G基站等。

对Mesh网络的自组网时间进行测试，检测Mesh自组网时间是否满足雷场探测任务对快速组网响应和控制指令及时传输的要求。

在雷场探测实验场环境下，由7架飞行高度为30m、间距为60m的探测分机进行基于LoRa的雷场探测系统动态自组网通信测试。针对不同的数据传输距离，对基于LoRa的雷场探测动态自组网的通信丢包率与功耗进行测试，测试结果如表4所示。

由表4的实验测试结果可知，在供电电压同为DC3.3V的条件下，LoRa通信距离增大到1 200m，仍能满足雷场探测动态自组网系统需求。

由表5的实验测试结果可知，在供电电压同为DC3.3V的条件下，当LoRa通信距离增大，LoRa通信模块发射电流也随之增大，且发射电流明显大于接收电流。在接收、待机状态下，电流与通信距离基本无关。

根据以上测试，基于LoRa的雷场探测动态自组网系统设计满足项目需求，能够完成雷场复合探测系统架构的同步探测任务。

5 结语

本文提出可应用于雷场特殊环境下的LoRa动态自组网系统，该系统具有多任务处理能力，且自组网时间短，满足多种探测技术分时同步探测和探测数据同步传输的要求。LoRa无线通信硬件电路具有体积小、功耗低、结构简单等优点，采用的Mesh网络拓扑结构可满足雷场探测任务要求。之后在模拟雷场环境下，对基于LoRa的雷场探测动态自组网系统进行测试，结果表明，雷场探测系统动态自组网具有功耗低、可进行远距离传输等优点，从而能减少节点能耗、延长网络生命周期。在同样的低功耗条件下，其通信距离相比传统无线射频通信提升了几倍。但该系统动态自组网的控制、探测等功能较为单一，在未来研究中，可在本文基础上对系统功能加以拓展。

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（责任编辑：黄 健）