基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)研究

張清 王媛媛 王新運(yùn)

【摘 要】隨著我國科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)依互聯(lián)網(wǎng)媒介，并通過大米那幾的傳感協(xié)同技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知提升到了一個(gè)全新的高度水平，為人類智能化的發(fā)展提供了動(dòng)力。尤其是基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的研究和發(fā)展，更是將物聯(lián)網(wǎng)通信的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，升級(jí)到了多級(jí)跳組網(wǎng)的加密過程，優(yōu)化了物聯(lián)網(wǎng)升級(jí)方案，也為新技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文主要研究基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】LoRa系統(tǒng);架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù);發(fā)展;應(yīng)用

前言

隨著新技術(shù)的革新和發(fā)展，傳統(tǒng)的輸電線技術(shù)，由于線路監(jiān)測(cè)以及機(jī)制等因素，集成化程度不高，而且也很難形成獨(dú)立安裝的模式，在很大程度上限制了無線網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，再加上其結(jié)構(gòu)本身具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，耗電相對(duì)來說較大，需要技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和更新，以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行和工作。但是基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，能夠在很大程度上解決上述問題，提升系統(tǒng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的同時(shí)，為新技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)[1]。

一、基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的基本內(nèi)容

（一）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架分析

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的輸電線上布置LoRa集成組建以及各類傳感器，傳感器能夠依托物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及組建內(nèi)部的各個(gè)通信設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行有效的信息對(duì)接，繼而形成完善的自組織網(wǎng)，然后傳感器將所傳感到的信號(hào)和內(nèi)容，傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的內(nèi)部，并基于云平臺(tái)進(jìn)行有效處理，從而形成有效的三層網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)。具體來講首先是LoRa接入網(wǎng)：也就是系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)裝置，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、或者是面對(duì)面的形式，將信號(hào)接入到基站節(jié)點(diǎn)，并在通信協(xié)議上依照傳感器的使用特點(diǎn)進(jìn)行必要的信號(hào)剪裁和優(yōu)化。其次是無線多跳組網(wǎng)：基站節(jié)點(diǎn)利用無線多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，并在自組網(wǎng)以及自適應(yīng)路由器的全面整合下，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。最后是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：技術(shù)人員可以依托較為成熟的APN技術(shù)，在基站內(nèi)部增加適當(dāng)?shù)慕K端模塊，強(qiáng)化基站接入電力專網(wǎng)的能力。同時(shí)還可以利用已經(jīng)鋪設(shè)好的電力傳輸系統(tǒng)，加入適當(dāng)?shù)拿孛芊阑饓?，從而?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的有效對(duì)接。

（二）多跳無線組網(wǎng)信息傳輸過程分析

在架空線路上通過采集有效的信息數(shù)據(jù)，技術(shù)人員可以進(jìn)行多角度Qos劃分，通常情況下分為以下三種類型：首先是一般的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于時(shí)間的延遲并不敏感，而且大多體現(xiàn)為周期性采集的數(shù)據(jù)。其次是緊急突發(fā)事件的信息采集和傳輸，這些數(shù)據(jù)一般情況下需要到后臺(tái)來運(yùn)行，而且對(duì)于時(shí)間的要求不高。最后是應(yīng)用需求數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在采集或傳輸?shù)倪^程中對(duì)于時(shí)間延遲方面的要求相對(duì)較高。而且為了能夠更為高效和動(dòng)態(tài)地感知到后臺(tái)系統(tǒng)信號(hào)的運(yùn)行情況，還需要采取不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。

一旦緊急傳輸信號(hào)被傳入到后臺(tái)，發(fā)送數(shù)據(jù)的平臺(tái)就不能選擇下一個(gè)LoRa基站作為關(guān)鍵網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，但是可以選擇距離后臺(tái)較近的基站作為節(jié)點(diǎn)，從而保障系統(tǒng)功率之間的平衡。除此之外，為了防止無線傳輸干擾，LoRa基站之間的多個(gè)網(wǎng)組，每一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)上都可以利用傳感器進(jìn)行后臺(tái)信息數(shù)據(jù)的傳輸和感知，并將一定的信號(hào)數(shù)量發(fā)送到云端后臺(tái)，從而滿足信號(hào)的編號(hào)需求。而且在同一個(gè)發(fā)送間隙內(nèi)，每一組節(jié)點(diǎn)都有其特定的數(shù)據(jù)類型，尤其是在奇數(shù)時(shí)隙中，節(jié)點(diǎn)會(huì)被分配到特定的通信通道之內(nèi)，并將信號(hào)內(nèi)容發(fā)送到下一跳節(jié)點(diǎn)，從而保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾?。而?dāng)出現(xiàn)偶數(shù)的時(shí)隙時(shí)，技術(shù)人員就可以根據(jù)整個(gè)線路的鋪設(shè)方案和鋪設(shè)要點(diǎn)，進(jìn)行必要的偶數(shù)向數(shù)據(jù)傳輸，滿足信息傳遞的規(guī)律性，繼而保障整個(gè)系統(tǒng)的安全有效。

（三）加密方案

LoRa架空數(shù)據(jù)線路在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，需要鋪設(shè)一定的安全加密線路，以保障信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院陀行浴Ｊ紫仁菙?shù)據(jù)加密的過程，傳感器經(jīng)過系統(tǒng)進(jìn)行加密，然后再經(jīng)由解密系統(tǒng)進(jìn)行解密，整個(gè)加密通道就像是一個(gè)閉塞的信號(hào)傳輸路徑一樣，一旦進(jìn)入到安全模式當(dāng)中，信號(hào)數(shù)據(jù)就可以暢通無阻。其次是終端認(rèn)證過程。當(dāng)傳感器接入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，LoRa通信基站能夠利用系統(tǒng)進(jìn)行傳感器雙向身份的認(rèn)證，一旦進(jìn)入到安全加密系統(tǒng)當(dāng)中，可以直接確認(rèn)身份信息，防止數(shù)據(jù)被竊取和盜用等[2]。

二、基于LoRa架空線路裝填感知裝置的設(shè)計(jì)

該裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括距離、電流、弧垂、溫度、傾斜以及氣象等多個(gè)方面。一般情況下整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本由供電、通信、處理以及感知組成。而且在LoRa嵌入式狀態(tài)感知裝置的引導(dǎo)下，采取芯片化和模塊化的裝置能夠在很大程度上提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，從而保障信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Щ６也煌瑐鞲衅髟谶M(jìn)行模塊設(shè)計(jì)的過程中，具有不同的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案。例如，將MCU核心板和傳感器模塊進(jìn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)接，可以在很大程度上為整個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)提供一個(gè)優(yōu)質(zhì)的信號(hào)端接口，使硬件加密系統(tǒng)、存儲(chǔ)器以及處理器等裝置能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)預(yù)期的對(duì)接。

三、基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的應(yīng)用

（一）典型的應(yīng)用場(chǎng)景

一般情況下，重要的輸電線路通常都會(huì)在多線共用走廊上進(jìn)行信號(hào)或數(shù)據(jù)的傳輸，而且所呈現(xiàn)的是網(wǎng)絡(luò)并存的兩鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模式，其優(yōu)點(diǎn)是塔桿之間的間距相對(duì)較近，能夠在很大程度上強(qiáng)化信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。但是一旦其中一條線路上的數(shù)據(jù)傳感器出現(xiàn)失靈的情況，整個(gè)線路就會(huì)由于系統(tǒng)的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生信號(hào)中斷的情況，繼而影響到整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果。因此，在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)流程中，技術(shù)人員需要將塔桿之間的干擾因素一起考慮在內(nèi)，提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在天線部分的設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員就需要根據(jù)具體的線路設(shè)計(jì)要求，確定是設(shè)計(jì)內(nèi)置天線還是外置天線，并依照相關(guān)的技術(shù)要點(diǎn)安裝有效的防護(hù)外殼，保障其外觀合理、高能有效，提升整個(gè)線路系統(tǒng)的先進(jìn)性和有效性。

（二） 電壓基站線路的應(yīng)用

在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的過程中，為了能夠在一定程度上提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，以正負(fù)10千伏的線路區(qū)段為主要的研究對(duì)象。技術(shù)人員可以在線路轉(zhuǎn)彎的位置，設(shè)計(jì)一到兩個(gè)LoRa基站。而且從直線的距離與位置上來看，各個(gè)基站之間的距離相差并不大，而且還具有很強(qiáng)的排列性質(zhì)，能夠保障信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。除此之外，在正常的情況下，基站與基站之間可以進(jìn)行多跳躍式的數(shù)據(jù)傳輸，而且能夠直接將信號(hào)傳輸?shù)絻?nèi)網(wǎng)當(dāng)中。如果基站發(fā)生呢個(gè)異常的情況，前一個(gè)基站能夠?qū)⒑筮吇局械臄?shù)據(jù)提取出來，保障信息能夠及時(shí)有效的傳輸，從而提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的魯棒性[3]。

四、結(jié)束語

基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的應(yīng)用，能夠在很大程度上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，提升整個(gè)系統(tǒng)的安全性和有效性。同時(shí)，在現(xiàn)代科技不斷更新和進(jìn)步的情況下，無論是網(wǎng)絡(luò)線路的鋪設(shè)還是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，都能在很大程度上滿足系統(tǒng)線路的建設(shè)和鋪設(shè)要求，優(yōu)化線路設(shè)計(jì)要領(lǐng)的同時(shí)，對(duì)整個(gè)線路系統(tǒng)的外觀以及性能進(jìn)行改造，提升其堅(jiān)固性和安全性，繼而為信號(hào)的傳輸以及數(shù)據(jù)的對(duì)接提供堅(jiān)實(shí)有效的物質(zhì)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]路永玲，劉洋，胡成博，徐江濤.基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)研究[J].電氣應(yīng)用，2019，38（07）：68-72.

[2]何佳璇，文浩.基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)研究[J].中國能源技術(shù)，2019，44（26）：88-92.

[3]郝佳俊，孫敘含，劉有存.基于LoRa的架空線路物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)研究[J].智能中國發(fā)展研究，2019，18（22）：55-61.

（作者單位：淅川縣電業(yè)局）