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线性传感器网络具有一定的应用场景，如公路监测、输送石油、天然气和水资源的长管道监测、河流环境监测等。此网络中传感器节点以线性或半线性拓扑结构分布，使得这种场景通常要求网络拥有更长的传输距离、更低的能耗。
LoRaWAN因传输距离广、组网灵活、功耗低等优点被广泛应用于星型拓扑结构下的信息监测。但是，在线性拓扑结构场景中应用LoRaWAN却需要引入大量网关，会造成信息不对称、能源浪费和网络利用率低等问题。本研究提出了一种新型基于LoRa的线性拓扑结构无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)监测系统，它由多个传感器节点和一个网关节点组成。传感器节点间以LoRa协议进行通信并将数据汇集到网关节点，网关节点通过NB-IoT技术将数据传输到云端。所有节点均采用具有超低接收灵敏度的SX1278芯片进行搭建，并以线性拓扑结构进行排列。监测系统通过信道活动检测技术来实现节点低功耗唤醒和系统网络组建。此外，为了提高系统的鲁棒性和容错性采用了一种特殊的传输方式对故障节点进行定位。本文的主要研究工作及研究结果如下:
(1)设计完成了一套面向线性拓扑结构场景的WSN监测系统。从获取传感器数据的LoRa终端到具有网络间信息传递功能的LoRa网关，再到最终可以用于人机交互的服务器云平台，给出了完整的线性传感器网络监测系统解决方案。
(2)节点扩展性设计。系统节点间通过LoRa多跳和信道活动检测算法相结合的方式组网，这使得系统具有很强的节点扩展性，只需修改LoRa终端节点地址就可以加入系统网络，理论上可以任意增加传感器节点的数量。
(3)系统低功耗设计。首先，通过占空比策略让系统大部分时间处于休眠状态。然后，根据节点功能合理搭配微控制单元(Micro Control Unit，MCU)和射频收发器两种低功耗芯片的工作模式，尽可能的降低节点能耗。最后，采用型号为D4184的MOS管电路来控制传感器电源的通断，当需要读取传感器的信息时，才对传感器进行供电。
(4)通用型LoRa终端设计。LoRa终端预留了8路模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)和1路RS485总线接口可兼容多种工业传感器，可根据需求选配不同型号传感器，实现不同终端功能。系统节点上设有触控按键、LED指示灯和OLED显示屏等交互设备，用于改变LoRa的关键参数、显示系统信息和系统调试。
(5)LoRa转NB-IoT网关设计。网关采用LoRa和NB-IoT技术相结合的方式设计，不仅减少了成本、降低了功耗更增强了系统的灵活性。这种方式还可以避免偏僻山区供电不方便和解决存在通信盲区等问题。
综上，本文提出的监测系统完整的实现了信息的采集、传输和界面展示等功能，具有成本低、功耗低、传输距离远、LoRa终端接口丰富和系统扩展性强等特点。系统适用于沿河水文监测、输油管道监测和长距离铁路监测等线性拓扑结构的应用场景。
LoRaWAN因传输距离广、组网灵活、功耗低等优点被广泛应用于星型拓扑结构下的信息监测。但是，在线性拓扑结构场景中应用LoRaWAN却需要引入大量网关，会造成信息不对称、能源浪费和网络利用率低等问题。本研究提出了一种新型基于LoRa的线性拓扑结构无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)监测系统，它由多个传感器节点和一个网关节点组成。传感器节点间以LoRa协议进行通信并将数据汇集到网关节点，网关节点通过NB-IoT技术将数据传输到云端。所有节点均采用具有超低接收灵敏度的SX1278芯片进行搭建，并以线性拓扑结构进行排列。监测系统通过信道活动检测技术来实现节点低功耗唤醒和系统网络组建。此外，为了提高系统的鲁棒性和容错性采用了一种特殊的传输方式对故障节点进行定位。本文的主要研究工作及研究结果如下:
(1)设计完成了一套面向线性拓扑结构场景的WSN监测系统。从获取传感器数据的LoRa终端到具有网络间信息传递功能的LoRa网关，再到最终可以用于人机交互的服务器云平台，给出了完整的线性传感器网络监测系统解决方案。
(2)节点扩展性设计。系统节点间通过LoRa多跳和信道活动检测算法相结合的方式组网，这使得系统具有很强的节点扩展性，只需修改LoRa终端节点地址就可以加入系统网络，理论上可以任意增加传感器节点的数量。
(3)系统低功耗设计。首先，通过占空比策略让系统大部分时间处于休眠状态。然后，根据节点功能合理搭配微控制单元(Micro Control Unit，MCU)和射频收发器两种低功耗芯片的工作模式，尽可能的降低节点能耗。最后，采用型号为D4184的MOS管电路来控制传感器电源的通断，当需要读取传感器的信息时，才对传感器进行供电。
(4)通用型LoRa终端设计。LoRa终端预留了8路模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)和1路RS485总线接口可兼容多种工业传感器，可根据需求选配不同型号传感器，实现不同终端功能。系统节点上设有触控按键、LED指示灯和OLED显示屏等交互设备，用于改变LoRa的关键参数、显示系统信息和系统调试。
(5)LoRa转NB-IoT网关设计。网关采用LoRa和NB-IoT技术相结合的方式设计，不仅减少了成本、降低了功耗更增强了系统的灵活性。这种方式还可以避免偏僻山区供电不方便和解决存在通信盲区等问题。
综上，本文提出的监测系统完整的实现了信息的采集、传输和界面展示等功能，具有成本低、功耗低、传输距离远、LoRa终端接口丰富和系统扩展性强等特点。系统适用于沿河水文监测、输油管道监测和长距离铁路监测等线性拓扑结构的应用场景。