融合北斗短報(bào)文與LoRa的地質(zhì)災(zāi)害雨量監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：針對地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施不完善、降雨數(shù)據(jù)不足等問題，融合北斗短報(bào)文和LoRa無線通信的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域的雨量監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)通信狀況選擇LoRa和北斗短報(bào)文，充分融合LoRa技術(shù)與北斗短報(bào)文技術(shù)的優(yōu)勢，完成數(shù)據(jù)傳輸工作；同時(shí)為克服北斗短報(bào)文的缺點(diǎn)，將關(guān)鍵雨量數(shù)據(jù)編輯成簡短報(bào)文進(jìn)行信息傳輸，降低了北斗短報(bào)文的發(fā)送頻率。雨量監(jiān)測系統(tǒng)能為湖南省地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境、時(shí)空分布及地質(zhì)環(huán)境的相關(guān)性分析，以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、防治處理，提供科學(xué)實(shí)用的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：北斗短報(bào)文；LoRa無線通信；雨量站；地質(zhì)災(zāi)害；數(shù)據(jù)傳輸；降雨監(jiān)測

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-03

0 引 言

降雨是誘發(fā)滑坡、洪澇、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，會(huì)嚴(yán)重影響工農(nóng)生產(chǎn)，威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。湖南省降水豐沛，全省多年年平均降雨量在1 427 mm左右，極端降雨頻發(fā)多發(fā)，一直是全國因降雨導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的省份之一。為盡可能地減少因降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害而產(chǎn)生的損失，需開展雨量監(jiān)測，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害雨量監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。

雨量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和有效傳輸是雨量監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能。文獻(xiàn)[1]研究了YL型雨量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示及異常報(bào)警，整體構(gòu)造簡單、成本低。文獻(xiàn)[2]研究了區(qū)域自動(dòng)站雨量監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，將近80個(gè)雨量站數(shù)據(jù)通過CAWA Any Where Server整合到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域自動(dòng)站臨近雨量監(jiān)測、查詢、顯示、超閾值報(bào)警及雨量圖的制作。文獻(xiàn)[3]針對沿海監(jiān)測點(diǎn)距離遠(yuǎn)、設(shè)備易損壞的問題，研發(fā)了結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)的海島雨量監(jiān)測系統(tǒng)，可進(jìn)行多點(diǎn)分布式協(xié)調(diào)工作，提供多層次信息管理與決策支持。文獻(xiàn)[4]將雨量數(shù)據(jù)與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)更好地結(jié)合，基于SOA架構(gòu)完成地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的可視化開發(fā)，解決了系統(tǒng)不易拓展的問題；文獻(xiàn)[5]為解決大數(shù)據(jù)時(shí)代信息共享、數(shù)據(jù)管理問題，基于DOA軟件架構(gòu)完成監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)。

但是，上述研究中未詳細(xì)考慮偏遠(yuǎn)地區(qū)和惡劣環(huán)境對信息數(shù)據(jù)通信的影響。針對該問題，本研究探討了北斗短報(bào)文融合4G網(wǎng)絡(luò)的信息通信技術(shù)，并構(gòu)建了融合北斗短報(bào)文與LoRa的地質(zhì)災(zāi)害雨量監(jiān)測系統(tǒng)。

1 技術(shù)原理

1.1 北斗短報(bào)文通信技術(shù)

北斗短報(bào)文通信技術(shù)是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特色之一，利用北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送和接收，能夠滿足無移動(dòng)通信信號地區(qū)的通信需求[6]。北斗短報(bào)文具有成本低、覆蓋范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備要求低、組網(wǎng)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)σ苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效補(bǔ)充，進(jìn)而滿足我國在無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)的應(yīng)急通信、搜索救援等服務(wù)需要。作為國家應(yīng)急體系的重要組成部分，近年來短報(bào)文通信服務(wù)已經(jīng)在民生保障、救災(zāi)減災(zāi)、野外搜救等方面發(fā)揮了積極作用。從服務(wù)范圍上來講，北斗短報(bào)文技術(shù)分為區(qū)域短報(bào)文技術(shù)（RSMC）和全球短報(bào)文技術(shù)（GSMC），本文使用的是區(qū)域短報(bào)文技術(shù)，能夠滿足湖南省范圍內(nèi)的雨量監(jiān)測需求，其技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 LoRa通信技術(shù)

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離局域網(wǎng)無線傳輸技術(shù)，具有范圍大、功耗低、容量大、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。LoRa的覆蓋范圍最大可以達(dá)到15 km，在地質(zhì)災(zāi)害等極端情況下，如果災(zāi)區(qū)移動(dòng)通信信號中斷，依然可以利用LoRa技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心，能夠滿足災(zāi)區(qū)的信息傳輸需求[7]。LoRa通信設(shè)備如圖1所示。

1.3 翻斗式雨量監(jiān)測站

翻斗式雨量站是降雨監(jiān)測的常用設(shè)備之一，它通過安裝在觀測點(diǎn)上的翻斗來收集降雨數(shù)據(jù)。翻斗式雨量監(jiān)測站通常由一個(gè)漏斗和一個(gè)垂直放置的容器組成。當(dāng)雨水落入漏斗時(shí)，漏斗會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，將雨水倒入容器中，并記錄下落的雨量。該監(jiān)測站具有操作簡單、成本低、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文選取了分辨率為0.1 mm的雨量監(jiān)測站，其技術(shù)參數(shù)見表2，設(shè)備樣式如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文針對湖南省村鎮(zhèn)級雨量監(jiān)測需求，通過自主設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)，尤其是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)的雨量監(jiān)測問題。因此雨量站監(jiān)測系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景是基礎(chǔ)設(shè)施條件較差以及電力供應(yīng)、常規(guī)通信未覆蓋的區(qū)域，尤其是可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，容易造成電力、通信中斷的地區(qū)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

基于北斗短報(bào)文和LoRa的雨量監(jiān)測系統(tǒng)由自動(dòng)雨量監(jiān)測站、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用端組成[8]。其中自動(dòng)雨量監(jiān)測站自動(dòng)采集雨量數(shù)據(jù)，將降雨信號發(fā)送給邊緣計(jì)算終端。邊緣計(jì)算終端根據(jù)接收的雨量信號，生成雨量數(shù)據(jù)，并編輯成降雨消息；然后根據(jù)通信設(shè)備狀態(tài)，自主選擇數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳送給雨量數(shù)據(jù)處理中心，雨量數(shù)據(jù)處理中心匯集雨量數(shù)據(jù)后將其傳輸給各個(gè)應(yīng)用部門。

2.2 硬件集成設(shè)計(jì)

為了滿足地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域的雨量采集需求，雨量監(jiān)測系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算、LoRa無線通信、北斗短報(bào)文通信和自主電力供應(yīng)功能[9-10]，其系統(tǒng)集成如圖4所示。

雨量監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能板和電池作為電力供應(yīng)設(shè)備，為雨量站、邊緣計(jì)算終端、LoRa終端和北斗短報(bào)文發(fā)射終端提供電力。同時(shí)邊緣計(jì)算終端與北斗短報(bào)文設(shè)備、LoRa終端通過網(wǎng)線進(jìn)行連接，將需要發(fā)送的信息推送給相應(yīng)的終端設(shè)備。

2.3 處理邏輯

完成設(shè)備終端的集成設(shè)計(jì)后，需要對邊緣計(jì)算終端的消息處理邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，其處理邏輯如圖5所示。

系統(tǒng)開始正常工作后，進(jìn)入喚醒狀態(tài)。系統(tǒng)喚醒分為定時(shí)喚醒和降雨喚醒兩種模式，降雨喚醒是根據(jù)雨量計(jì)產(chǎn)生的降雨信號進(jìn)行喚醒，定時(shí)喚醒是設(shè)備定期自主喚醒。降雨喚醒后，邊緣計(jì)算終端先采集一段時(shí)間的雨量數(shù)據(jù)，再生成雨量消息，避免發(fā)送頻率過快；邊緣計(jì)算終端首先使用LoRa終端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，在接收到回傳信息后，即完成數(shù)據(jù)發(fā)送；若未接收到回傳信息，則通過北斗短報(bào)文設(shè)備發(fā)送雨量消息。設(shè)備定時(shí)喚醒后，邊緣計(jì)算終端統(tǒng)計(jì)過去1 h的降雨總量，生成定時(shí)信息并發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)送完成后，即進(jìn)入下一個(gè)休眠期，等待下一次喚醒，以此降低設(shè)備的運(yùn)行功耗。

3 結(jié) 語

本文通過自主設(shè)計(jì)融合北斗短報(bào)文和LoRa無線通信的雨量監(jiān)測系統(tǒng)，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域的降雨監(jiān)測難題，為湖南省村鎮(zhèn)級雨量監(jiān)測奠定基礎(chǔ)，研究成果對地質(zhì)災(zāi)害綜合防治研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值，能為湖南省地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境、時(shí)空分布及地質(zhì)環(huán)境的相關(guān)性分析，以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、防治處理提供科學(xué)實(shí)用的數(shù)據(jù)支撐。

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收稿日期：2023-11-13 修回日期：2023-12-11

基金項(xiàng)目：湖南省自然資源廳科技項(xiàng)目（20230129DZ）