無線通訊技術(shù)在水利水電自動化中的應(yīng)用分析

林年旺

摘 要：在水利水電自動化建設(shè)中，無線通訊技術(shù)發(fā)揮了重要作用。在實際應(yīng)用無線通訊技術(shù)時，還要實現(xiàn)技術(shù)的合理選擇。基于這種認識，本文對ZigBee技術(shù)、4G移動通信技術(shù)和LoRa技術(shù)的特點展開了分析，并對這三種無線通訊技術(shù)在水情水質(zhì)監(jiān)測、水電數(shù)據(jù)采集等方面的應(yīng)用情況進行了探討，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);4G移動通信技術(shù);LoRa技術(shù);水利水電自動化

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0030-02

0 引言

在水利水電事業(yè)發(fā)展的過程中，大量自動化監(jiān)控系統(tǒng)得到了建設(shè)。在系統(tǒng)運行管理的過程中，需要利用無線通訊技術(shù)實現(xiàn)水利水電數(shù)據(jù)信息采集，實現(xiàn)電氣裝置的科學(xué)控制。因此，還應(yīng)加強無線通訊技術(shù)在水利水電自動化中的應(yīng)用分析，以便科學(xué)采用各種無線通訊技術(shù)滿足系統(tǒng)自動化控制要求。

1 無線通訊技術(shù)概述

在水利水電自動化系統(tǒng)中，想要實現(xiàn)水利水電項目自動化控制，需要采用大量電氣裝置，實現(xiàn)裝置信息傳送，從而為裝置調(diào)度管理和終端命令執(zhí)行提供信息支撐，保證水利水電項目的穩(wěn)定運行。采用無線通訊技術(shù)，無需進行線纜敷設(shè)即能實現(xiàn)信號傳輸，能夠使自動化系統(tǒng)應(yīng)用不受地域和自然環(huán)境的限制。現(xiàn)階段，水利水電自動化常用的無線通訊技術(shù)較多。伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，主要得到使用的技術(shù)包含ZigBee技術(shù)、4G移動通信技術(shù)和LoRa技術(shù)。

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)為新興短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用IEEE 802.15.4通信標準，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較低，能夠利用2.4GHz頻段進行通信，成本較低。在近距離傳輸中，采用該技術(shù)能夠降低系統(tǒng)功耗。相較于傳統(tǒng)無線通訊技術(shù)，ZigBee技術(shù)能過在低功耗待機模式下長時間待機，并且專注于10-250KB/s低速率傳輸，可以同時容納65000個設(shè)備，具有較強的網(wǎng)絡(luò)自組織能力，能夠保證通信的可靠性。ZigBee技術(shù)采用AES-128算法，能夠?qū)?shù)據(jù)進行完整性檢查和鑒權(quán)，因此能夠使數(shù)據(jù)安全性得到保證。建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以利用技術(shù)強大組網(wǎng)能力得到不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，滿足信號實際傳輸需求。

1.2 4G移動通信技術(shù)

4G移動通信技術(shù)是第四代移動通信技術(shù)，是在3G技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展得到的，能夠適應(yīng)移動計算、移動多媒體和移動數(shù)據(jù)運作需要，擁有超高數(shù)據(jù)傳輸速度。采用4G移動通信技術(shù)，速率能夠達到幾百20Mbps以上，最高能夠達到100Mbps。在個人身份鑒定時，4G主要通過ID應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。采用該技術(shù)建立無線通訊網(wǎng)絡(luò)，可以隨時隨地通信，并實現(xiàn)圖畫、影像和資料的雙向下載，使數(shù)據(jù)信息通信突破時空局限。現(xiàn)階段，4G通信能夠采用FDD-LTE和TD-LTE兩種無線通訊標準，是合并廣播和通信新基礎(chǔ)設(shè)施的重要紐帶。

1.3 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)為廣域通訊技術(shù)，采用semtech公司建立的低功耗局域網(wǎng)無線標準，能夠在較低功耗條件下實現(xiàn)遠距離無線傳輸。相較于傳統(tǒng)無線射頻通訊技術(shù)，LoRa技術(shù)通信距離能夠擴大3-5倍，在城鎮(zhèn)可以達到2-5km傳輸距離，郊區(qū)能夠達到15km。LoRa技術(shù)采用ISM頻段，采用基于擴頻技術(shù)的調(diào)制方式。建立LoRa網(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)關(guān)能夠與成千上萬個LoRa節(jié)點連接，數(shù)據(jù)傳輸速率在幾百到幾十Kbps范圍內(nèi)。在傳輸速率較低的情況下，傳輸距離較長。針對傳輸數(shù)據(jù)，LoRa技術(shù)能夠采用AWS128進行加密處理，因此能夠保證數(shù)據(jù)安全性。

2 無線通訊技術(shù)在水利水電自動化中的應(yīng)用

在水利水電自動化中，無線通訊技術(shù)能夠在水情水質(zhì)監(jiān)測、水電數(shù)據(jù)采集等各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。具體采用哪種無線通訊技術(shù)，需要結(jié)合實際需求確定，實現(xiàn)技術(shù)的合理應(yīng)用。如表1所示，為幾種無線通訊技術(shù)的優(yōu)缺點比較。在水利水電自動化系統(tǒng)中，每種無線通訊技術(shù)都能單獨使用，完成獨立子系統(tǒng)的創(chuàng)建用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在不同的通訊網(wǎng)絡(luò)中，可以利用軟硬件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)自動化控制要求。

2.1 在水情水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

在水利水電自動化管理中，水情水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，負責實現(xiàn)水情水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動采集和上傳，確保管理人員能夠?qū)崟r掌握被監(jiān)控區(qū)域的水庫、大壩等水利水電工程的活動情況。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，因此需要使用無線通訊技術(shù)實現(xiàn)水情水質(zhì)遠距離監(jiān)測。實際在系統(tǒng)建設(shè)時，可以采用4G移動通信技術(shù)，完成由前端采集設(shè)備、服務(wù)器和客戶端構(gòu)成的水情水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，前端數(shù)據(jù)采集與傳輸部分為系統(tǒng)核心組成，由水位監(jiān)測儀、超聲波流速流量計、水質(zhì)檢測儀、遙測終端機等部分構(gòu)成。采用遙測終端機，能夠進行水情水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，然后利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心。監(jiān)測中心由客戶端、服務(wù)器工程，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、存儲和設(shè)備接入，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控權(quán)限配置，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。采用4G移動通信技術(shù)，可以利用4G網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)監(jiān)控中心與各監(jiān)測點的網(wǎng)絡(luò)連接。在實際應(yīng)用該技術(shù)時，還可以接入視頻監(jiān)控設(shè)備，利用4G技術(shù)實現(xiàn)視頻監(jiān)控圖像的傳輸。由于4G網(wǎng)絡(luò)具有較強的兼容性，所以能夠與各地水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)順利銜接，推動水利監(jiān)控系統(tǒng)流域化發(fā)展。在防汛時期，采用該系統(tǒng)能夠?qū)σ呀ūO(jiān)控點水情進行遠程觀看，根據(jù)實時視頻圖像加強水情管理。監(jiān)控中心可以采用統(tǒng)一中心平臺，利用專業(yè)視頻服務(wù)器進行視頻存儲，并借助分發(fā)服務(wù)器將視頻傳輸?shù)娇蛻舳恕o需采用流媒體服務(wù)器，用戶可以利用普通PC進行客戶端登錄，也可以利用4G無線手持終端進行客戶端軟件登錄。因此在水情水質(zhì)監(jiān)控管理方面，采用4G技術(shù)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸能夠降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，同時縮短系統(tǒng)建設(shè)周期，為水電水利自動化控制的實現(xiàn)提供強有力的技術(shù)支持。

2.2 在水電數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

在水電自動化管理方面，無線抄表系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。利用無線智能電表，可以實現(xiàn)水電信息自動采集和上傳，避免人工錯抄、誤抄情況的發(fā)生，能夠使水電管理費用得到降低。實際應(yīng)用無線自動抄表系統(tǒng)，需要采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)通訊設(shè)計。具體來講，就是要在數(shù)據(jù)采集終端完成Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊的安裝，然后利用Zigbee遠程終端模塊實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的讀取。利用Zigbee射頻部分，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足水電數(shù)據(jù)采集管理需求。實際建立Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，需要利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行節(jié)點數(shù)據(jù)通信管理，利用FFD節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。在水電站生產(chǎn)現(xiàn)場，采用Zigbee技術(shù)可以實現(xiàn)現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)無線傳輸。結(jié)合水電站的水電管理需求，采用遠程抄表系統(tǒng)需要對各電表進行監(jiān)控管理，實現(xiàn)電表正向電量、感性無功、電壓等各種數(shù)據(jù)的采集。采用Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊進行電表數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)傳輸至Zigbee協(xié)調(diào)器，利用RS485轉(zhuǎn)USB接口實現(xiàn)與計算機的遠程通信連接。采用遠程軟件，能夠完成數(shù)據(jù)讀取操作。實際在安裝數(shù)據(jù)采集模塊時，還要利用RS485接口將電表與模塊連接在一起，采用屏蔽雙絞線進行并聯(lián)，滿足多塊電表同時通信需求。利用模塊發(fā)射功能，可以進行協(xié)調(diào)器連接。在水電數(shù)據(jù)管理方面，采用由LABVIEW開發(fā)的遠程抄表軟件即能獲得的水電數(shù)據(jù)記錄，并對模塊運行環(huán)境進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)水電站生產(chǎn)現(xiàn)場運行問題。相較于其他無線通訊技術(shù)，Zigbee技術(shù)具有較強自愈能力。因此在水電數(shù)據(jù)采集過程中，即便有節(jié)點發(fā)生通道故障，系統(tǒng)也能實現(xiàn)通道重新選擇，確保水電數(shù)據(jù)能夠得到及時傳輸，因此在水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理方面具有較高可靠性。

2.3 在水利水電管理中的應(yīng)用

在水利水電管理中，LoRa技術(shù)也能得到較好的應(yīng)用。現(xiàn)階段，在城市水務(wù)管理方面，基于LoRa的智慧水務(wù)系統(tǒng)得到了應(yīng)用，能夠通過數(shù)據(jù)采集儀器、水質(zhì)水壓表和無線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備對供排水系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測管理，滿足水利水電精細化管理要求。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，包含感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層。感知層對LoRa傳感器進行了集成應(yīng)用，能夠?qū)λ|(zhì)、水位、流量等數(shù)據(jù)信息進行采集，利用LoRa模組實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)連接。通過將數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRaWAN基站，可以將數(shù)據(jù)傳輸至核心網(wǎng)。采用LoRa技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)重疊，同時能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)通信干擾進行處理，可以使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫奖ＷC。系統(tǒng)平臺層采用云技術(shù)，能夠提供豐富網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適配能力，為海量終端設(shè)備的連接提供支持。采用系統(tǒng)應(yīng)用層，可以在服務(wù)器上進行手機、PC等各種終端的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程調(diào)用。應(yīng)用LoRa進行網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)，可以對低功耗廣域網(wǎng)進行快速部署。該種基站能夠采用多種接入方式，提供多業(yè)務(wù)平臺，所以能夠在云端進行終端配置管理，實現(xiàn)系統(tǒng)性能可視化管理。系統(tǒng)采用LoRa網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信，需要采用非授權(quán)頻譜進行網(wǎng)絡(luò)的組建，即在1GHz頻段下工作。從整體架構(gòu)來看，感知層主要依靠LoRa技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)平臺層負責進行數(shù)據(jù)處理和接入管理，應(yīng)用層提供水利水電管理服務(wù)。應(yīng)用該系統(tǒng)，需要通過系統(tǒng)平臺和LoRa網(wǎng)絡(luò)建立與各監(jiān)測點感知設(shè)備的通信連接，然后對水壓、水位等信息進行采集、傳輸和處理。根據(jù)地圖上顯示的各監(jiān)測點位置，可以確定不同監(jiān)測點的狀態(tài)，完成日志數(shù)據(jù)庫的建立，為水利水電管理工作的開展提供數(shù)據(jù)支撐。在日常運行的過程中，一旦LoRa感知設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)將會及時提示，確保網(wǎng)絡(luò)通信安全得到保證。通過遠程控制，也能利用LoRa模組實現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級，因此能夠使LoRa網(wǎng)絡(luò)保持穩(wěn)定運行，滿足水利水電自動化管理要求。

3 結(jié)語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在水利水電自動化管理方面，ZigBee技術(shù)、4G移動通信技術(shù)和LoRa技術(shù)得到了廣泛運用，能夠為自動化系統(tǒng)控制管理提供數(shù)據(jù)支持，保證系統(tǒng)高效運行。在水利水電生產(chǎn)作業(yè)中，還應(yīng)結(jié)合實際管理需求進行無線通訊技術(shù)的合理應(yīng)用，推動水利水電管理工作的信息化、科學(xué)化發(fā)展。

參考文獻

[1] 劉宇，余昊哲.電氣自動化在水利水電工程中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機，2018，49（24）：114.

[2] 胡昌蘭，賈振國.淺談信息自動化技術(shù)在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用[J].民營科技，2018（11）：153.

[3] 宋銘明.探討信息自動化技術(shù)在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用策略[J].農(nóng)家參謀，2018（19）：223.