基于LoRa的智慧水務系統

卿勇軍 鄧其鋒

摘 要：為提升城市對水資源的監管與治理水平，基于LoRa無線通信技術的智慧水務系統應運而生。文中對該系統的架構進行了詳細闡述，并結合實際案例介紹了智慧水務系統的整個生產、管理和服務流程。該系統通過LoRa技術實現水務信息的采集、監測等功能，系統簡單、成本低，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：LoRa;智慧水務系統;物聯網;監測

中圖分類號：TP39;TN929.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-03

0 引 言

國家“十三五”規劃綱要提出，以基礎設施智能化、公共服務便利化、社會治理精細化為重點，充分運用現代信息技術和大數據，建設新型智慧城市。而“發展智能水務，構建覆蓋供水全過程、保障供水質量安全的智能供排水和污水處理系統”是實現智慧城市基礎設施智能化的一個重要舉措，對于如何將海量水務信息進行及時分析與處理，并做出相應的處理結果輔助決策建議，以更加精細和動態的方式管理水務系統的整個生產、管理和服務流程，從而達到“智慧”的狀態是目前比較熱門的研究課題。采用基于全球低功耗廣域網（LoRa Wide Area Network，LoRaWAN）技術的智慧水務系統可通過數采儀、無線網絡、水質水壓表等在線監測設備實時感知城市供排水系統的運行狀態，并采用可視化的方式有機整合水務管理部門與供排水設施，形成“城市水務物聯網”，從而滿足智慧城市設施智能化、治理精細化的訴求。

1 LoRa智慧水務系統的技術優勢

傳統的水務信息（流量、水壓、水質、水位等參數）均依靠人工采集，工作難度大且效率較低。雖然近年來云計算、大數據及物聯網等信息技術的發展給水務行業的應用和管理模式帶來了較大變革，但是采集數據質量不高、各模塊之間的數據未形成互聯互通，且未實現資源共享，信息孤島嚴重仍是目前智慧水務系統發展的瓶頸。本文所述智慧水務系統采用LoRa技術，利用LoRa窄帶物聯網智能終端實現對流量、水壓、水質、水位甚至溫度等數據的精細收集，并將這些采集到的海量數據傳輸到大數據平臺進行分析處理，輔助管理系統做出決策，以達到水務供排治一體管控、消防水實時監測與循環利用、雨水高效收集回用、分散式污水治理等目標。實現過程可感知，效果可量化，運行智慧化的“智慧”狀態。

LoRa是低功耗廣域網通信技術中的一種，其優勢在于技術方面的長距離能力，具備高性能、遠距離、低功耗，支持大規模組網等突出特點，非常適合智慧水務中某些對環境條件比較嚴苛的場景，如海域水務信息的監測等。另外，LoRa工作在1 GHz以下的非授權頻段，應用時無需額外付費，成本低，不受電信運營商的制約，可隨時隨地組網。

2 基于LoRa技術的智慧水務系統

基于LoRa技術的智慧水務系統運用LoRa高性能、遠距離、低功耗、支撐大規模組網等特點，實現對水務信息如流量、水壓、水質、水位等參數的采集，將采集到的海量水務數據和狀態信息進行及時分析、處理，實現科學性的動態管理，從而提升水務運營的管理效率與服務水平。

2.1 系統結構

基于LoRa技術的智慧水務系統架構如圖1所示，主要包含感知層、傳輸層、平臺層及應用層。

2.2 LoRaWAN基站

LoRaWAN基站專為快速部署低功耗廣域網（LPWAN）而設計，具備易用耐用、性能可靠穩定、擴展性好、性能指標優異的特點，同時具備實時WebSocket 和 OpenAPI RESTFul 兩種接入方式。

任何符合LoRaWAN標準的通信終端都可輕松接入LoRaWAN基站網關，并可通過自帶的多業務平臺，在云端對LoRaWAN基站和終端進行輕松配置和管理，實現運維界面和終端性能的可視化分析，結合高品質LoRaWAN基站網關，實現運營級LPWAN網絡的穩定性能、品質服務和可靠運行。

LoRaWAN基站將采集到的海量水務信息數據通過運營商網絡傳送至智慧水務管理平臺，由管理平臺進行相應的處理和操作。

2.3 LoRa網絡

網絡是整個物聯網的通信基礎，本文系統基于LoRa網絡承載，具有高性能、遠距離、低功耗的特點，與其他NB-IoT技術相比，LoRa網絡基于非授權頻譜組建網絡，頻段在1 GHz以下，傳輸距離長，成本低。

LoRa具備以下幾大特點，能滿足智慧水務系統的需求。

（1）傳輸距離長：LoRa工作在1 GHz以下的非授權頻段，處于500 MHz和1 GHz之間的頻段對于遠距離通信是最優選擇，可滿足廣闊海域的覆蓋要求。

（2）低成本：LoRaWAN使用免費的非授權頻段，并且是異步通信協議，電池壽命長，無需對頻譜進行額外付費，成本低。

（3）海量連接：LoRaWAN接入的核心算法是ALOHA協議，支持海量接入。

2.4 平臺層

平臺層提供連接管理、設備管理、數據管理、消息處理、大數據、機器學習能力開放等基礎功能，支持多種物聯網終端設備快速接入及各行業應用的快速集成，支撐客戶聚焦應用和業務創新，平臺提供感知層連接、診斷、控制等連接狀態的查詢及管理功能。平臺層使用統一的標準、協議與應用層連接，兼容不同設備與連接協議的差異性，提供靈活高效的數據管理，包括數據采集、清洗、分類、結構化存儲，大數據分析等，輔助做好決策。應用層采用業務模塊化設計，不同的業務系統實現靈活的布排，滿足行業應用的快速開發需求。物聯網體系架構如圖2所示。

2.5 智慧水務管理平臺

智慧水務平臺通過平臺層及LoRa網絡與感知設備建立連接，實現水務信息（如流量、水壓、水質、水位等信息）的采集、傳輸、處理及控制。智慧水務管理平臺可在GIS地圖上標示每個監測點，并統計每個監測點的狀態、功耗情況等信息，同時建立運行日志數據庫，可永久保存數據。管理平臺可對感知設備出現的故障及時提示、告警，并及時通知維護人員進行處置。另外，管理平臺也可遠程對LoRa模組進行軟件升級更新。

3 應用案例

珠海橫琴島為建設智慧城市，在橫琴島海岸線、橫琴望天臺水庫、上牛角水庫和紅旗村水庫、內河等區域設置漂浮式自動監測站。自動監測站集成了基于LoRa模組的傳感器，監測并采集水源流量、水壓、水質、水位等信息。由于本文系統采用了LoRa網絡，其接收靈敏度為-142 dBm，比傳統無線網絡提高超20 dB的覆蓋增益，信號穿透力強，傳輸距離長，滿足廣闊海域的覆蓋要求。珠海橫琴島水源監控點位如圖3所示。

本文系統通過LoRa網絡及運營商網絡將采集到的海量水務信息傳送至云平臺，通過管理平臺對采集到的海量水務信息進行分析處理，并與其他管理系統進行數據共享，實現“取水制水”“供給水”“輸配水”“雨水收集利用”“污水處理與利用”“消防智慧監控”“海綿城市防澇建設”等靈活調度，實現水資源的高效循環和利用。系統管理平臺以云服務為主架構，搭配可擴充性的軟件應用，使管理者通過電腦、手機即可隨時隨地進行狀態查詢和監測。同時，系統采用可視化管理和預測性維護，可有效降低運維成本。智慧水務管理平臺如圖4所示。

基于LoRa的智慧水務系統實現了對水務運行環境與狀態的精細管理和實時感知，打造園區供排治“一張圖”，構建園區全息化感知“智慧水聯網”，為園區給排水運行安全提供保障，提高給水、排水運行效率，為防范漏損和爆管風險等提供多種支撐。

4 結 語

本文基于LoRa技術的智慧水務系統，利用運營商傳輸網絡，結合大數據、云平臺及應用場景豐富的管理平臺，實現了海量水務信息的采集與處理，符合物聯網智能、互聯的需求。將LoRa技術應用于水務系統的智能化管理能夠實現城市及市政服務能力的提升，是智慧城市的重要組成部分。

參 考 文 獻

[1]劉勇.基于LoRa技術的智慧園區物聯網應用研究[J].數字通信世界，2017（8）：152，173.

[2]唐山.基于LoRaWAN的廣域物聯網技術研究及實現[D].成都：電子科技大學，2018.

[3]王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯網技術—LoRa[J].信息通信技術，2017（1）：55-59.

[4]徐冬冬.LoRa與NB-IoT技術開啟物聯網新格局[J].科學技術創新，2017（24）：116-117.

[5]王明浩，吳韶波.基于智慧城市建設的NB-IoT應用研究[J].物聯網技術，2017，7（7）：79-82.

[6]文海，孫長征.中高速廣域融合物聯網安全技術研究[J].物聯網技術，2018，8（4）：44-46.

[7]嚴琦，張云勇，安崗.基于應用場景的低功耗廣域物聯網（LPWA）技術對比分析[J].世界電信，2017，30（3）：50-56.

[8]宛如意，李震.基于NB-IoT的智慧水務建設探討[J].電子測試，2017（6x）：72-73.