LoRa 技術(shù)在水利信息化建設(shè)的應(yīng)用

張靖翼，張志華

（1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心昌邑管理站，山東 濰坊 261000；2.水利部機(jī)電研究所，天津 301900）

0 概述

目前基于LoRa 技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)手段日益成熟，改善了傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍小、自組網(wǎng)能力單一、實(shí)時(shí)性差等缺陷，LoRa 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地掌握水利狀況的信息，極大降低了人工成本，為我們實(shí)現(xiàn)水利信息的無(wú)線化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸提供了良好的解決方案。

1 水利信息無(wú)線傳輸現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的水利信息無(wú)線傳輸方式主要是以GPRS、ZigBee 等無(wú)線方式進(jìn)行傳輸。雖然這幾種無(wú)線傳輸技術(shù)在傳輸速率、傳輸距離等方面有了很大的提高，但是傳輸方式仍然存在一些缺陷：

（1）通信問(wèn)題

GPRS 無(wú)線通信技術(shù)受基站覆蓋范圍的限制，在偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)等通信差、信號(hào)薄弱的地方，會(huì)導(dǎo)致傳輸速率下降甚至無(wú)法有效傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)信息。存在通信死角。

（2）費(fèi)用問(wèn)題

GPRS 終端在通信時(shí)要使用電信運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)建設(shè)，因此需要繳納一定費(fèi)用。由于水利信息在一些時(shí)間段需要實(shí)時(shí)采集，并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。所以產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用后續(xù)會(huì)一直存在。目前水利信息通信上無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用較為普遍，基本解決了無(wú)線遠(yuǎn)傳通信的問(wèn)題，而無(wú)線WiFi、GPRS、ZigBee 等高頻通信方式，因?yàn)橥ㄐ啪嚯x有限、系統(tǒng)較為復(fù)雜等缺陷，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中達(dá)到的效果并不理想，阻礙了水利信息智慧化發(fā)展。

2 LoRa 無(wú)線技術(shù)

LoRa 是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)。它具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、多點(diǎn)連接、成本低以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，采用LoRa 無(wú)線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通信距離可以達(dá)到10 km 以上，供電壽命達(dá)到10 年以上，LoRaWAN 協(xié)議的設(shè)備具有很強(qiáng)的互操作性。一個(gè)完全符合LoRaWAN 標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)關(guān)可以接入5～10 km 內(nèi)上萬(wàn)個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢的通信模式，也能大幅度降低節(jié)點(diǎn)通信功耗。因此，LoRa 技術(shù)在遠(yuǎn)程水利信息方面的應(yīng)用，對(duì)水利信息化中的信息監(jiān)測(cè)技術(shù)有極大的促進(jìn)作用。LoRa 的無(wú)線通信技術(shù)、星形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)，也可以應(yīng)用到其他更為復(fù)雜的水利場(chǎng)景，對(duì)提高水利信息的智慧化程度有促進(jìn)作用。

3 LoRa 技術(shù)在水利信息上的應(yīng)用

在水利信息化中，無(wú)線通信技術(shù)能夠在水文、水資源、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、灌區(qū)等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3.1 在水文上的應(yīng)用

在水文數(shù)據(jù)采集中，LoRa 的無(wú)線技術(shù)有較好的應(yīng)用。由于水文遙測(cè)站點(diǎn)位置主要建設(shè)在河流、湖泊、渠道以及靠山等地區(qū)。部分站點(diǎn)位置信號(hào)薄弱甚至無(wú)公網(wǎng)信號(hào)。LoRa 技術(shù)在對(duì)水位、流量、流速、降水量、水溫、冰凌、水質(zhì)、地下水位等水文信息進(jìn)行傳輸時(shí)有效解決了水文站中遇到的線路、信號(hào)等問(wèn)題。它的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下：

（1）在數(shù)據(jù)傳輸距離方面、網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的容量方面LoRa 技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)，在水文遙測(cè)站建設(shè)時(shí)，只需要將采集的水文信息傳感器接入控制設(shè)備即可，建設(shè)時(shí)主要考慮測(cè)點(diǎn)水情要素以及布設(shè)位置點(diǎn)的選擇。

（2）在部分地區(qū)可以完全替代有線傳輸，免除有線傳輸布線煩瑣的問(wèn)題，也降低了建設(shè)成本。LoRa無(wú)線技術(shù)在傳輸過(guò)程中不存在衰減問(wèn)題，而有線傳輸由于一些原因，電纜出現(xiàn)衰減現(xiàn)象卻無(wú)法更換或難以更換電纜，新布線或更換工作煩瑣、需要大量的人力物力。

（3）針對(duì)復(fù)雜地區(qū)信號(hào)差或無(wú)信號(hào)的問(wèn)題，可以通過(guò)LoRa 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接行盘?hào)的地方，然后通過(guò)4G-DTU 再將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器，或用戶電腦。以此來(lái)解決遙測(cè)站因無(wú)公網(wǎng)信號(hào)無(wú)法測(cè)控的問(wèn)題。

（4）LoRa 主要在433 MHz、868 MHz、915 MHz 這些全球免費(fèi)頻段運(yùn)行。因此在數(shù)據(jù)傳輸中可以不依賴專網(wǎng)，通過(guò)LoRa 網(wǎng)關(guān)搭建組網(wǎng)系統(tǒng)。減少了專網(wǎng)的使用，同時(shí)也節(jié)約了成本。

（5）在維護(hù)方面，LoRa 無(wú)線技術(shù)故障診斷容易，設(shè)備維護(hù)便捷。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備老化、損壞等狀況時(shí)，只需更換相應(yīng)的設(shè)備即可。

LoRa 技術(shù)在水文上的應(yīng)用有效提升了水文鋪設(shè)的范圍，使水文資料更加豐富，為水利建設(shè)提供了基礎(chǔ)，也間接提高了防汛減災(zāi)的能力。根據(jù)動(dòng)態(tài)的水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以更及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情信息，提高了防汛工作的效率。為防汛減災(zāi)和保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全做出了保障。

3.2 在灌溉上的應(yīng)用

LoRa 在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。農(nóng)業(yè)灌溉中灌溉面積是一項(xiàng)重要參數(shù)，而LoRa技術(shù)通信距離最高可以達(dá)到15 km，可以覆蓋大面積農(nóng)田。在灌溉系統(tǒng)應(yīng)用中通過(guò)LoRa 把天氣和土壤等數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦喔认到y(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分析來(lái)最優(yōu)灌溉決策。因農(nóng)業(yè)灌溉不需要長(zhǎng)期灌溉，所以無(wú)需實(shí)時(shí)通信，而且LoRa 的低功耗特性使灌溉系統(tǒng)中電池的壽命有了很大的提升。減少了設(shè)備損耗，節(jié)約了成本。因此LoRa 的節(jié)水灌溉智能監(jiān)控系統(tǒng)，解決了灌區(qū)低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸兩者不可兼顧的問(wèn)題，提高了灌區(qū)水資源管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化水平；對(duì)灌區(qū)水價(jià)進(jìn)行改革，實(shí)行階梯水價(jià)，緩解水資源日益有限的矛盾、有效利用水資源，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)節(jié)水型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

3.3 在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在水利水電自動(dòng)化管理中，對(duì)水情水質(zhì)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用廣泛，主要負(fù)責(zé)對(duì)水情水質(zhì)采集的參數(shù)進(jìn)行技術(shù)分析，確保管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握被監(jiān)控區(qū)域的水庫(kù)、大壩等水利水電工程的活動(dòng)情況。但由于水利水電工程所處地形復(fù)雜，管理范圍較廣，想要依靠有線方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋具有較大難度，因此需要使用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水情水質(zhì)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)基于LoRa 的組網(wǎng)通信系統(tǒng)建設(shè)，將水情水質(zhì)各類傳感器采集的水情水質(zhì)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端。將數(shù)據(jù)信息完整的展現(xiàn)在監(jiān)控平臺(tái)中。LoRa 技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用豐富了水質(zhì)監(jiān)測(cè)在建設(shè)時(shí)對(duì)距離、位置選擇的方案，也改善了通信信號(hào)薄弱、易干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽Ｊ顾|(zhì)監(jiān)測(cè)性能得到提高。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)化分布式管理和低功耗的嵌入式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了管理效率。

4 LoRa 技術(shù)在水利建設(shè)中的先進(jìn)性

4.1 星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，供電壽命長(zhǎng)

傳統(tǒng)組網(wǎng)采用樹(shù)形網(wǎng)狀拓?fù)?，?shù)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是組網(wǎng)快，各廠商之間無(wú)需底層協(xié)議的互相支持即可完成組網(wǎng)。缺點(diǎn)是復(fù)雜性大，網(wǎng)絡(luò)容量有限，一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，屬于該設(shè)備鏈路下的所有設(shè)備都不能正常工作。LoRa 技術(shù)采用星狀拓?fù)浣M網(wǎng)，這樣的布線實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，并且所需的線纜數(shù)量也比較少。LoRa 網(wǎng)關(guān)在星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)里起到中繼的作用，建立終端設(shè)備和服務(wù)器的連接。網(wǎng)關(guān)通過(guò)IP 與服務(wù)器進(jìn)行連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點(diǎn)均是雙向通信。星形網(wǎng)方式組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多通道并行接收,同時(shí)處理多路信號(hào)，這大大增加了網(wǎng)絡(luò)容量。

由于LoRa 的低功耗優(yōu)勢(shì)，可以在不需要使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，讓設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。并且物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處于休眠模式時(shí)耗電非常少，所以這一優(yōu)勢(shì)有助于節(jié)省電力。低功耗和低使用率又引起連鎖反應(yīng)，進(jìn)而提高了供電壽命。

4.2 覆蓋范圍大，采集數(shù)據(jù)靈敏

傳統(tǒng)的無(wú)線傳輸技術(shù)傳輸距離短，覆蓋范圍小主要是因?yàn)榘l(fā)射出來(lái)的有用功率隨距離衰減而在終端側(cè)達(dá)不到解調(diào)的信噪比要求。而LoRa 的擴(kuò)頻技術(shù)以帶寬換功率、以帶寬換信噪比，從而降低了信噪比要求。鏈路預(yù)算高達(dá)157 dB，使其通信距離可達(dá)15 km（與環(huán)境有關(guān)），極大提高了覆蓋范圍。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，大大延長(zhǎng)了電池的使用壽命。同時(shí)LoRa 具有前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)，使得LoRa 采集數(shù)據(jù)的靈敏度、抗干擾能力相比以往的無(wú)線技術(shù)有了顯著地提高。

4.3 成本較低，便于維護(hù)，安全性高

在成本方面LoRa 模塊的成本在8～10 美元左右，LoRa 在免許可證頻段上運(yùn)行，因此可以通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和較低的運(yùn)營(yíng)成本來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，可以免費(fèi)試用LoRa 通信協(xié)議來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，而使用GPRS 通信協(xié)議來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)需要購(gòu)買SIM 卡收取流量費(fèi)用。在設(shè)備維護(hù)方面具備VPN 功能的LoRa 網(wǎng)關(guān)，在通信加密和網(wǎng)關(guān)維護(hù)管理方面也非常便捷?？梢岳肰PN 對(duì)LoRa 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和維護(hù)，并且由于VPN 本身的保密特性，對(duì)網(wǎng)關(guān)的這種遠(yuǎn)程管理和維護(hù)的過(guò)程是可以加密的，安全性有了保障。

5 結(jié)語(yǔ)

LoRa 技術(shù)在水利信息上得到了廣泛運(yùn)用，低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、低廉成本的特點(diǎn)也順應(yīng)了無(wú)線通信在水文、農(nóng)業(yè)灌溉、水質(zhì)監(jiān)測(cè)通信距離普遍較遠(yuǎn)、供電困難等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。提高了范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸效率，為水利信息化建設(shè)增添了新的技術(shù)手段，還可結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行無(wú)線通信技術(shù)的合理應(yīng)用，推動(dòng)水利管理工作的信息化、科學(xué)化發(fā)展。

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