LoRa 技術(shù)在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉卓 田浩 彭飛

摘要：水文事業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性公益事業(yè)，水文監(jiān)測為防汛抗旱、水資源管理、水生態(tài)保護(hù)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。為了進(jìn)一步提高水文監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，文章提出了一種基于LoRa技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)地研究了LoRa技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，并選取星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸，擴(kuò)大了傳輸距離和范圍，降低了傳輸功耗及傳輸成本。關(guān)鍵詞：LoRa;物聯(lián)網(wǎng);水文監(jiān)測

中圖法分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of LoRa technology in hydrological monitoring system

LIU Zhuol，TIAN Hao2，PENG Fei3

（1.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau，Yellow River Water Conservancy Commission，Jinan 250100，China; 2.Yellow River Water Conservancy Commission Henan Hydrology and Water Resources Bureau，Zhengzhou 450004，China;3.Yellow River Water Conservancy Commission Hydrology Bureau，Zhengzhou 450004，China）

Abstract：Hydrology is the basis fornational economic and social development and public welfare undertakings，and hydrological monitoring provides basic data support for flood control and drought relief， water resources management and water ecological protection.In order to further improve the stability and reliability of hydrological monitoring system， this paper puts forward a design scheme of hydrological monitoring system based on LoRa technology，systematically studies the characteristics and advantages of LoRa technology，and selects the star-shaped network topology structu for networking， which realizes the automatic collection and transmission of hydrological data，and expands the transmission distance range， and reduces the transmission power consumption and transmission cost.

Key words： LoRa，Internet of things，hydrological monitoring

1背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對水文工作提出了更高的要求，現(xiàn)行水文監(jiān)測方式和水文監(jiān)測隊(duì)伍已不能滿足水文業(yè)務(wù)的發(fā)展需求與社會服務(wù)需求，特別是水文監(jiān)測技術(shù)與管理模式落后、人少事多矛盾突出、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)困難、測報(bào)時(shí)效難以保證等問題已經(jīng)成為制約水文事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。近年來，科技的迅速發(fā)展使得水文監(jiān)測水平得到了很大的提升，水文監(jiān)測手段正向以衛(wèi)星、無人機(jī)、雷達(dá)、物聯(lián)網(wǎng)、移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為核心的空天地一體化智慧水文監(jiān)測體系轉(zhuǎn)變。LoRa 是一種物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（ LPWAN）技術(shù)，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本等特點(diǎn)，能更好地滿足水文監(jiān)測系統(tǒng)的要求，全面提升水文服務(wù)能力。

2 LoRa 技術(shù)簡介

LoRa 是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，能夠?qū)鞲衅髋c智能設(shè)備組成物聯(lián)網(wǎng)，為用戶提供一種簡單的及能實(shí)現(xiàn)高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗、大容量的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。目前，LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、470、868、915MHz 等[1]。LoRa 技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1傳輸距離長，功耗低

LoRa 具有較高的接收靈敏度，其無線模塊的通信距離可達(dá)15km，且其接收電流僅10mA，睡眠電流為200nA，極大地降低了功率，延長了電池的使用壽命。

2.2系統(tǒng)容量大

基于 LoRa 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可容納多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)每天處理的節(jié)點(diǎn)之間的通信次數(shù)可達(dá)上萬次[2]。

2.3覆蓋范圍廣

LoRa 網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍廣，在20dB（100mW）的發(fā)射功率下，在密集的城市覆蓋范圍為2km 左右，在空曠的郊區(qū)覆蓋范圍可達(dá)10km[3]。

綜上所述，LoRa 技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性，與 ZigBee，Wi?Fi，Bluetooth 等無線通信技術(shù)相比，能更好地滿足水文監(jiān)測系統(tǒng)的要求。 LoRa 技術(shù)與其他無線通信技術(shù)的性能對比見表1。

3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于 LoRa 技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。其中，感知層主要由各類水文監(jiān)測傳感器、LoRa 無線傳感器節(jié)點(diǎn)、LoRa 網(wǎng)關(guān)等組成;網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，主要包括互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等;應(yīng)用層主要是對傳輸層數(shù)據(jù)的接入管理、數(shù)據(jù)存儲、處理應(yīng)用等，主要包括水文數(shù)據(jù)綜合管理、防汛抗旱、水資源管理、水環(huán)境保護(hù)等水文相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)[4]。

基于 LoRa 技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1.2無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

本文選用結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)延較低的星型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) LoRa 傳感器的組網(wǎng)，以滿足水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)距離、低功耗和大容量傳輸?shù)男枨?。基?LoRa 技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和后臺服務(wù)器三部分組成：終端節(jié)點(diǎn)由 MCU 驅(qū)動相應(yīng)的傳感器定期采集各種水文信息，并通過 LoRa 無線通信模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸給后臺服務(wù)器以便進(jìn)行分析處理。終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的基于 LoRa 無線通信的傳感網(wǎng)絡(luò)是本文研究的重點(diǎn)。

（1）終端節(jié)點(diǎn)：主要負(fù)責(zé)水位、流量、泥沙、氣象、水質(zhì)等水文監(jiān)測信息的采集和處理，并將采集的數(shù)據(jù)通過 LoRa 射頻部分遠(yuǎn)程發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

（2）網(wǎng)關(guān)：主要負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)采集的水文信息的接收和向后轉(zhuǎn)發(fā)。在星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，其作為透明中繼連接前向終端節(jié)點(diǎn)和后臺服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間可通過以太網(wǎng)或 GPRS，4G/5G 等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

（3）后臺服務(wù)器：主要從網(wǎng)關(guān)處獲取終端上報(bào)的數(shù)據(jù)，分析終端節(jié)點(diǎn)傳感器采集的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)應(yīng)用、狀態(tài)展示等。

基于 LoRa 技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

3.2感知層

感知層主要由測量單元和采集單元組成。測量單元包含水位、降雨量、水質(zhì)、流量等水文要素測量傳感器，用于監(jiān)測不同區(qū)域的實(shí)時(shí)水文要素。采集單元又可以為兩個(gè)部分，即一部分連接測量傳感器，將其采集的數(shù)據(jù)向 LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，此部分由 LoRa 終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn);另一部分用于融合和匯聚終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，此部分由 LoRa 網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)。

3.2.1測量單元

水文站測驗(yàn)設(shè)備包括雷達(dá)式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、走航式 ADCP、雷達(dá)波流量測驗(yàn)系統(tǒng)、翻斗式雨量計(jì)、自動氣象站、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備等。

3.2.2采集單元

（1）LoRa 終端節(jié)點(diǎn)

LoRa 終端節(jié)點(diǎn)將傳感器采集的水文數(shù)據(jù)通過無線射頻信號發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點(diǎn)可內(nèi)置濾波算法，自動校準(zhǔn)，具有低功耗、采集精度高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)雨量、水質(zhì)、流量、壓力、流量、流速、超聲波水位等多種信號的采集。此外，終端節(jié)點(diǎn)還具有本地存儲功能，可以把采集到的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)置的 Flash 存儲器，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，可以從本地讀取歷史數(shù)據(jù)，保證水文數(shù)據(jù)的完整性。

（2） LoRa 網(wǎng)關(guān)

LoRa 網(wǎng)關(guān)是感知層的核心，起著承上啟下的作用。其主要功能如下：①實(shí)現(xiàn) LoRa 終端節(jié)點(diǎn)的自動協(xié)調(diào)組網(wǎng)及管理。在系統(tǒng)啟動時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對其所屬子網(wǎng)進(jìn)行初始化，確保各終端節(jié)點(diǎn)之間以及與其在同一頻道工作的其他設(shè)備之間的信號不會互相影響，保證該區(qū)域子網(wǎng)正常運(yùn)行。此外，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)啟動后，LoRa 網(wǎng)關(guān)通過向終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送查詢命令的方式來檢測是否有新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入。若有，新節(jié)點(diǎn)會自動添加到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表，并更新路由表。同時(shí)，LoRa 網(wǎng)關(guān)可獲取終端節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息（包括運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備屬性、電源能量等），能夠?qū)ψ泳W(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，如休眠喚醒、節(jié)點(diǎn)控制、故障診斷、升級更新等;②實(shí)現(xiàn)不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。 LoRa 網(wǎng)關(guān)為不同類型的網(wǎng)絡(luò)搭建橋梁，一方面，其可將感知網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，使其能夠與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信（如 Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等），實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸;另一方面，LoRa 網(wǎng)關(guān)能夠?qū)?yīng)用層下發(fā)的控制指令等進(jìn)行解析，使其被 LoRa 終端節(jié)點(diǎn)識別，實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)到局域網(wǎng)設(shè)備的控制等。

3.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層之間的橋梁，其主要任務(wù)是將網(wǎng)關(guān)匯聚的數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層數(shù)據(jù)接收處理服務(wù)器。可根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型、傳輸距離等，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，包括水利專網(wǎng)、GPRS，4G/5G、北斗衛(wèi)星等。

3.4應(yīng)用層

應(yīng)用層的主要任務(wù)是完成對網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的接入管理、數(shù)據(jù)存儲，以及將數(shù)據(jù)分析處理后供用戶使用等，其中包括水文數(shù)據(jù)綜合管理、防汛抗旱、水資源管理、水環(huán)境保護(hù)等相關(guān)水文業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為監(jiān)控和決策流域防汛抗旱提供及時(shí)、真實(shí)、直觀的技術(shù)支持。應(yīng)用層可采用大數(shù)據(jù)匯集、分析、挖掘、管理等技術(shù)，通過高性能計(jì)算、核心高效算法、海量數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練相關(guān)模型，從海量數(shù)據(jù)中找尋規(guī)律、發(fā)現(xiàn)價(jià)值，提高智能決策的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測智慧化。

4應(yīng)用實(shí)例

2018年，在盧溝橋水文站測驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施遷建工程中，采用了基于 LoRa 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)水文監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位、流量、降雨等水文信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效傳輸與監(jiān)測，節(jié)約了成本，提升了水文自動化監(jiān)測水平，能夠更好地為海河流域（尤其是北京、天津）的防汛抗旱、水資源管理與保護(hù)工作提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的水文信息支撐，為實(shí)現(xiàn)智慧水文奠定了基礎(chǔ)。

5結(jié)語

隨著水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，作為基礎(chǔ)水信息采集與處理的水文部門將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。 LoRa 技術(shù)是 LPWAN 通信技術(shù)的重要組成部分，是基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)。將 LoRa 技術(shù)應(yīng)用到水文監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對水文信息的自動采集和傳輸，擴(kuò)大了傳輸范圍，降低了傳輸功耗及傳輸成本，為水文大數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)代化水文業(yè)務(wù)應(yīng)用提供信息支撐，為實(shí)現(xiàn)智慧水文奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介：

劉卓（1990—），碩士，研究方向：水文信息化。