LPWAN技術(shù)在鄂州民信閘重建工程中的研究與應(yīng)用

劉賢才，年夫喜，姚瑋達(dá)，賓貝麗，徐勝平

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430070；2.鄂州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 鄂州 436000)

LPWAN技術(shù)[1]近幾年的發(fā)展呈現(xiàn)井噴勢(shì)頭，LPWAN能源表計(jì)的出貨量早已超過(guò)千萬(wàn)級(jí)。在中小型水利工程中，終端設(shè)備跨度遠(yuǎn)，不方便取電，LPWAN低功耗、廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)正好滿足需求，但如何利用LPWAN的通信產(chǎn)品來(lái)組網(wǎng)，并確保通信效果，在中小型水利工程中還處于探索階段[2]。鄂州民信閘重建工程中，采用LPWAN基站和單元對(duì)相關(guān)儀器、儀表、設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，無(wú)線通信環(huán)境中有樹(shù)林、山坡、建筑物等，代表了水利工程中的常見(jiàn)場(chǎng)景，組網(wǎng)模式、運(yùn)行和測(cè)試數(shù)據(jù)以及優(yōu)化措施等，對(duì)中小型水利工程應(yīng)用LPWAN有參考意義。

1 方案研究

1.1 LPWAN技術(shù)簡(jiǎn)介

LPWAN技術(shù)近幾年迅猛發(fā)展，其低功耗、廣覆蓋、能自組專網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)明顯，在很多行業(yè)開(kāi)始廣泛采用[3-5]。其與目前市場(chǎng)上幾種常見(jiàn)的無(wú)線技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1可以看出，LPWAN技術(shù)的通信距離和功耗兩項(xiàng)指標(biāo)比較理想：

表1 無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)比表

(1) 降低建設(shè)成本。各類終端設(shè)備的通信端口與LPWAN模塊連接，由此大大降低線纜、光纖主機(jī)、交換機(jī)等材料和設(shè)備成本，還降低施工成本。

(2) 便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)。采用LPWAN技術(shù)，消除了線纜意外斷開(kāi)而通信中斷的隱患；排查故障只需要從終端設(shè)備、通信模塊兩方面入手，省去了長(zhǎng)距離排查線纜的工作量；終端設(shè)備的移動(dòng)和擴(kuò)容也都比較方便。

(3) 便于搭建統(tǒng)一的信息化平臺(tái)。采用LPWAN技術(shù)，可以將各個(gè)終端設(shè)備快速、便捷的組成同一個(gè)系統(tǒng)，避免多個(gè)后臺(tái)形成的信息孤島，運(yùn)營(yíng)管理更加統(tǒng)一高效。

LPWAN的短板是收發(fā)速率低，但中小型水利工程中，絕大多數(shù)終端設(shè)備的通信速率本身就很低，兩者正好匹配。LPWAN門類下的細(xì)分有幾種技術(shù)，其中以LoRa、NB-IoT、Cat.1為主。三者對(duì)比，Cat.1目前剛剛起步，NB-IoT也只處于初期階段，兩者都依賴公網(wǎng)通信，而大部分地區(qū)的公網(wǎng)基站還沒(méi)有部署Cat.1、NB-IoT，此外中小型水利工程一般地處偏遠(yuǎn)，公網(wǎng)基站信號(hào)質(zhì)量難以保證；LoRa屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)，不依賴公網(wǎng)基站，靈活性更好，此外LoRa起步早一些，上下游產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)比較成熟。因此，論文重點(diǎn)研究以LoRa為主、其它無(wú)線通信技術(shù)為輔的LPWAN組網(wǎng)系統(tǒng)[6]。

1.2 技術(shù)路線

1.2.1 LPWAN終端設(shè)備比選

第1類：高速率、收發(fā)延時(shí)短、大型機(jī)電設(shè)備等，必須采用有線連接。如視頻攝像頭、對(duì)講機(jī)、大型電動(dòng)機(jī)。

第2類：除開(kāi)第1類，水利工程中大多數(shù)終端設(shè)備均可以采用LPWAN通信，其特性如下：

(1) 數(shù)據(jù)收發(fā)允許有一定延時(shí)的(0.5 s～5.0 s)。

(2) 機(jī)構(gòu)動(dòng)作延時(shí)允許有一定延時(shí)的(0.5 s～5.0 s)。

(3) 收發(fā)數(shù)據(jù)是低速率的(30 kbps以下)。

(4) 數(shù)據(jù)收發(fā)頻率不頻繁的(幾秒至幾小時(shí)一次)。

中小型水利工程中的大多數(shù)終端設(shè)備也屬于第2類，如水位計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)、雨量計(jì)、溫濕度計(jì)、振弦類安全監(jiān)測(cè)儀、機(jī)電設(shè)備溫度儀等，均可采用LPWAN連接；此外，中小型的閘門、閥門，啟降、開(kāi)關(guān)延時(shí)要求不高的，也可以接入LPWAN網(wǎng)[7]。

1.2.2 組網(wǎng)系統(tǒng)比選

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信：LPWAN最簡(jiǎn)單最基本的通信方式，一發(fā)一收。

星形組網(wǎng)：以LPWAN基站為中心，與周邊LoRa單元組網(wǎng)。星形組網(wǎng)是最普遍模式，這其中，如果是“廣播”通信，對(duì)發(fā)送時(shí)段沒(méi)要求；如果是“周邊對(duì)中心”通信，則各終端要分時(shí)段發(fā)送，以避免數(shù)據(jù)沖突。

橋式連接：在一些狹長(zhǎng)的場(chǎng)景下，從起點(diǎn)到終點(diǎn)可能長(zhǎng)達(dá)幾千米，可以采取A連B，B連C……的橋式連接。這種連接的延時(shí)會(huì)有增加很多，基站或節(jié)點(diǎn)數(shù)不宜超過(guò)3個(gè)。

網(wǎng)關(guān)通信：LPWAN基站接收到周邊LoRa單元數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變協(xié)議后與公網(wǎng)進(jìn)行通信。

混合組網(wǎng)：上述幾種組網(wǎng)方式靈活搭配，混合組網(wǎng)[8-9]。

2 方案實(shí)施

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)民信閘項(xiàng)目的實(shí)際情況，以及LPWAN技術(shù)的普遍使用意義[10-11]，對(duì)LPWAN通信組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)為：對(duì)水閘監(jiān)測(cè)終端設(shè)備上安裝LPWAN通信單元，建設(shè)LPWAN基站，以星形方式連接組網(wǎng)，基站匯總各終端的數(shù)據(jù)后通過(guò)NB-IoT/4G網(wǎng)關(guān)發(fā)送到云平臺(tái)。方案架構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 民信閘LPWAN通信組網(wǎng)方案

從圖1可見(jiàn)，方案的終端層是各類儀器、儀表、設(shè)備，如壓力表、流量計(jì)、雨量計(jì)、水位計(jì)、水質(zhì)儀、安全監(jiān)測(cè)傳感器、閘門、泵、電動(dòng)閥門等。這些終端大多是RS485或RS232輸出，可以直接與LPWAN設(shè)備連接；有些終端是4 mA～20 mA或其它輸出信號(hào)，可通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊來(lái)變送后連接。

方案的中間層是通信層，主要包括LPWAN基站和LoRa單元。一個(gè)LoRa單元可以連接1個(gè)至幾個(gè)終端，基站匯總周邊LoRa單元的數(shù)據(jù)，組成自管專網(wǎng)?；靖采w半徑一般在1 km，根據(jù)阻擋場(chǎng)景不同有較大變化。LPWAN基站可以直接與公網(wǎng)基站連接(民信閘是這種)，也可以橋式連接后與本地后臺(tái)通信，還可以把橋接連接末端的基站與公網(wǎng)基站連接，通過(guò)遠(yuǎn)程后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

方案的頂層是后臺(tái)系統(tǒng)，有本地后臺(tái)、遠(yuǎn)程后臺(tái)(含手機(jī)后臺(tái))、服務(wù)器。后臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)屬于常規(guī)技術(shù)，可以在組態(tài)軟件基礎(chǔ)上做工程，具有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、列表顯示和曲線圖顯示功能，可以分析、計(jì)算、報(bào)警。對(duì)于遠(yuǎn)程后臺(tái)服務(wù)器，考慮到其成本較高，中小型水利工程自建服務(wù)器意義不大，而目前國(guó)內(nèi)云服務(wù)器性能均達(dá)到要求，租用費(fèi)用也不是很高，所以可以采用租云服務(wù)器方式。對(duì)于手機(jī)后臺(tái)，前幾年的潮流是開(kāi)發(fā)APP，功能比較強(qiáng)大，但開(kāi)發(fā)成本高；近兩年開(kāi)始微信小程序發(fā)展成熟，功能有監(jiān)測(cè)、操作、報(bào)警，能達(dá)到基本需求；微信小程序開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，使用方便，預(yù)計(jì)未來(lái)將占據(jù)主流[12]。

2.2 實(shí)施

2.2.1 終端設(shè)備的連接

根據(jù)民信閘的工程總體情況，連接的終端包括：超聲波水位計(jì)、溫濕度計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(pH計(jì))、機(jī)電設(shè)備溫度儀、安全監(jiān)測(cè)儀等。由于工程總體施工周期長(zhǎng)，當(dāng)前具備接入LPWAN條件的是超聲波水位計(jì)、溫濕度計(jì)、pH計(jì)，而機(jī)電設(shè)備溫度儀、振弦安全監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)只能做測(cè)試接入，待工程全部竣工后再正式接入。具體部署安裝上，水位計(jì)固定在閘站上，溫度儀和安全監(jiān)測(cè)儀放置在控制室，溫濕度計(jì)、pH計(jì)采用移動(dòng)式，部署在閘站周邊幾百米的不同地點(diǎn)，可以移動(dòng)到各個(gè)有代表性的場(chǎng)景點(diǎn)(如無(wú)阻擋、樹(shù)林阻擋、山坡阻擋、建筑物阻擋)，以測(cè)試LPWAN組網(wǎng)通信的穩(wěn)定性[13-14]。

2.2.2 LPWAN基站、LPWAN單元

LPWAN基站的設(shè)備箱內(nèi)有LoRa模塊、NB-IoT/4G模塊、分線器、電源模塊、防雷模塊等。基站覆蓋半徑理論上可以達(dá)到5 km，但按實(shí)際場(chǎng)景預(yù)估為2 km，由于民信閘區(qū)域不大，建設(shè)一個(gè)LPWAN基站即可以覆蓋相關(guān)到LPWAN單元?；驹O(shè)備箱內(nèi)的LoRa模塊發(fā)射功率20 dBm(0.1 W)、靈敏度-138 dBm、通信頻段470 MHz，休眠電流1 mA/DC 12 V，收發(fā)瞬時(shí)電流30 mA/DC 12 V[15]；該模塊輸出的信號(hào)進(jìn)分線器，分線器分出2路輸出，1路進(jìn)入本地后臺(tái)系統(tǒng)，另外1路供現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)用，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)入遠(yuǎn)程后臺(tái)。電源模塊將220交直流電變成各模塊工作電壓(一般直流12 V)，或者對(duì)風(fēng)光供電系統(tǒng)的電壓進(jìn)行控制后輸出。防雷模塊對(duì)一般的雷擊和浪涌進(jìn)行保護(hù)。基站設(shè)備箱采用戶外防雨型，設(shè)備箱有空氣自對(duì)流散熱功能，以確保箱內(nèi)溫濕度處于合適區(qū)間?；静捎帽Ч抗潭ㄓ诹U上?；菊籽b置采用18 V/100 W太陽(yáng)能電池板、12 V/60 AH蓄電池的供電系統(tǒng)，可以滿足連續(xù)運(yùn)行的供電要求；該供電配置使用在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，其它地區(qū)使用可對(duì)比全年日照時(shí)間，調(diào)整配置太陽(yáng)能電池板、蓄電池大小。

LPWAN單元的設(shè)備箱內(nèi)有LoRa模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、防雷模塊等。LoRa模塊型號(hào)選擇和基站一樣的，參數(shù)配置除了ID外與基站的基本相同。一個(gè)專網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)LoRa模塊的ID是唯一的，ID編號(hào)一般間隔10個(gè)以上，便于以后擴(kuò)容。終端設(shè)備如果是RS485輸出，可以直連LoRa模塊，溫濕度、4 mA～20 mA、0 V～5 V等信號(hào)接入后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)镽S485再連LoRa模塊。1個(gè)單元連接的終端設(shè)備的數(shù)量不宜超過(guò)8個(gè)，一個(gè)LPWAN基站的節(jié)點(diǎn)容量(LPWAN單元數(shù)量)1 000個(gè)以內(nèi)為宜。LPWAN單元可以利用終端設(shè)備的電源來(lái)供電，或者采用比基站更小的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。

2.2.3 LPWAN一體式模塊

前文所述，LPWAN單元通過(guò)遠(yuǎn)程后臺(tái)控制，平均功耗還是較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電池長(zhǎng)期供電運(yùn)行，與LPWAN技術(shù)的初衷還有一定差距。近兩、三年開(kāi)始，能源表計(jì)、溫濕度計(jì)、壓力表等終端將LPWAN模組內(nèi)嵌，采用“深度休眠、定時(shí)喚醒發(fā)送”的模式運(yùn)行，功耗大幅度降低，兩節(jié)普通電池可以運(yùn)行3 a以上。但水利相關(guān)的大多數(shù)終端還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)LPWAN模組內(nèi)嵌，從理論上看并沒(méi)有難點(diǎn)，只需將終端模組與LPWAN模組結(jié)合，相信以后陸續(xù)有水位、流量、雨情、安全監(jiān)測(cè)傳感器等各類終端內(nèi)嵌LPWAN模組，成為一體式模塊，真正實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離、低功耗運(yùn)行。

2.2.4 LPWAN監(jiān)測(cè)后臺(tái)軟件

開(kāi)發(fā)LPWAN監(jiān)測(cè)后臺(tái)軟件。后臺(tái)軟件在組態(tài)軟件基礎(chǔ)上編輯工程，具有存儲(chǔ)、顯示、控制、設(shè)置、分析、報(bào)警等功能，軟件可以安裝在本地電腦上，也可以安裝在云服務(wù)器上。

3 效果分析

民信閘的5個(gè)LPWAN單元總共連接9個(gè)終端設(shè)備，分別是1個(gè)水位計(jì)、2個(gè)溫濕度計(jì)、1個(gè)水質(zhì)pH監(jiān)測(cè)儀、1臺(tái)振弦安全監(jiān)測(cè)儀、4個(gè)機(jī)電設(shè)備溫度儀，單元每隔1 min向基站發(fā)送1次數(shù)據(jù)(每個(gè)單元間隔)，隨機(jī)抽選24 h運(yùn)行和測(cè)試情況見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)行和測(cè)試效果統(tǒng)計(jì)表

從表2可以發(fā)現(xiàn)：LPWAN組網(wǎng)在短距離(500 m內(nèi))，如果有小樹(shù)林、圍墻等阻擋，信號(hào)會(huì)受到影響，數(shù)據(jù)收發(fā)成功率在97%左右；如果阻擋物比較密集、體積大，信號(hào)會(huì)進(jìn)一步降低；但收發(fā)地點(diǎn)即使距離中遠(yuǎn)(1 km左右)，只要可以對(duì)視，數(shù)據(jù)收發(fā)成功率仍舊能達(dá)到100%。數(shù)據(jù)表明，水利工程中LPWAN組網(wǎng)在基站與單元能對(duì)視的場(chǎng)景下，可以按照間距1 km以上部署，如無(wú)法對(duì)視，遮擋物會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成較大影響，丟包率會(huì)大幅增加[16]；為了確保通信良好，LPWAN基站和單元應(yīng)選擇合理的部署地點(diǎn)，基站的立桿盡量架高，以實(shí)現(xiàn)收發(fā)對(duì)視或減少阻擋來(lái)確保通信穩(wěn)定性。

4 結(jié)論和展望

LPWAN技術(shù)和產(chǎn)品在民信閘中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，水利工程中大多數(shù)終端設(shè)備均可以采用LPWAN組網(wǎng)，LPWAN基站和單元在裝配上需考慮通信接口、太陽(yáng)能供電等，LPWAN模組嵌入終端設(shè)備組合成一體式模塊理論上可行。在水利工程常見(jiàn)場(chǎng)景下部署LPWAN，對(duì)視1 km、小樹(shù)林等阻擋0.5 km通信問(wèn)題不大，但如果阻擋物更密集則難以保證通信質(zhì)量，因此，LPWAN組網(wǎng)時(shí)應(yīng)將基站盡量架高一些。LPWAN技術(shù)在鄂州市民信閘中的應(yīng)用對(duì)該技術(shù)在中小型水利工程中推廣應(yīng)用具有實(shí)際參照意義。