橋梁健康監測系統中LoRa技術的應用研究

趙翔，杜賽賽，謝黎明，徐寒亭

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 橋梁健康監測系統信息傳輸現狀

1.1 目前傳輸方式分析

橋梁健康監測系統信息主要采用的傳輸方式有：①RS-232有線方式，傳輸距離小于20m；②RS-485有線方式，傳輸距離最遠可達1200m。③光纖技術有線傳輸方式、GSM/GPRS無線傳輸方式；④通過北斗衛星傳輸以及其他傳輸方式。現有的傳輸方式都存在一定的缺陷，分析如下。

①RS-232接口抗干擾能力弱，傳輸速度不高，傳輸距離有限，不適于橋梁健康監測系統對遠距離傳輸的要求。

②RS-485抗干擾能力強，傳輸速度快，最大傳輸距離100m，實際可達到1200m。但是在橋梁實現有線方式就需要采用地埋鋪設或者架空布線方式，但較為繁瑣，施工難度巨大。

③光纖技術抗電磁干擾，通信容量大，傳輸距離遠，尺寸小，重量輕，但是也是有線方式布設，需要特殊工具、設備，施工難度大，同時有供電困難問題。

④GSM/GPRS、衛星等無線方式傳輸，基于公網的數據通信業務，對應用者其維護工作量小，但應用時將產生通信費用且后續費用將一直存在，不適合大量數據的傳輸。

綜上所述，目前橋梁健康監測系統通常采用光纖通信或者GSM/GPRS無線方式，基本滿足遠程傳輸的需求，但是對于偏遠、特殊環境的大橋監測項目，還沒有更方便、更經濟的傳輸方法。

1.2 LoRa技術背景

LoRa是Semtech公司發布的一種基于1GHz以下的超長距、低功耗數據傳輸技術，這一技術接收靈敏度高，通信距離遠。LoRaWAN是LoRa技術的網絡協議，可以為各種物聯網設備提供區域、全國或全球的網絡。LoRa技術高性能，成本低，易于建設和部署，成為物聯網大規模推廣應用的一種理想技術選擇[1][2]。LPWAN相關組織LoRa聯盟目前在全球已有145位成員。據LoRa聯盟統計目前已經有34個公開聲明部署的網絡，至少150個城市進行試點部署。國內從事LoRa模塊和方案開發的廠商有AUGTEK、普天通達、三凡信息等公司。LoRa技術已經得到越來越多的公司關注，雖然目前國內的LoRa應用并不多，但是未來會有更多的LoRa項目在國內開展。

2 LoRa技術傳輸原理

LoRa網絡主要由終端（內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、網絡服務器以及應用服務器組成。應用數據可以雙向傳輸。LoRaWAN是一個典型的星形拓撲結構，在這個架構中，LoRa網關是一個透明傳輸的中繼，實現前端的終端設備和后端中央服務器之間的通信。網關與中央服務器之間通過IP協議通信。所有的節點與網關間均是雙向通信[3]。

終端設備與網關之間的通信有多種數據速率和不同的信道頻率可以選擇。數據率的選擇需要在通信范圍和信號時延之間進行權衡，同一信道使用不同數據率的通信之間不會相互干擾。

LoRaWAN可以劃分為ClassA、Class B、Class C三種模式[4]：

圖1 ClassA

Class A：雙向通信終端設備。LoRa幀具有一個上行鏈路時隙，后面是兩個下行鏈路時隙。該幀符合TDD拓撲。終端設備根據需要由終端設備自行安排。它是隨機決定的，類似于ALOHA協議，同時也是功耗最低的。

圖2 ClassB

Class B：劃定接收時隙的雙向通信終端設備。在下行鏈路期間使用額外的接收窗口，持續時間由網關使用信標幀指定，這種方式LoRa系統在終端設備可以收聽時向服務器指示。

圖3 ClassC

Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設備。除傳輸模式外，此類終端設備可以一直監聽。因此，它非常適合需要更多下行鏈路傳輸的應用。比A類和B類設備使用更多功率，但是延遲最低。

3 橋梁健康監測系統傳輸的技術分析

根據相關資料，下表給出了目前流行的各種傳輸系統的技術參數指標。

不同通信方式的技術參數對比

根據表中的參數可知，LoRa通信技術高達162dB的鏈路預算使其通信距離最遠可達30km。同時又具有良好的抗干擾性、可靠性和較好的可跟蹤性。和目前的通訊方式相比，LoRa通信技術具備傳輸距離長、功耗低、成本低、易于部署等特點。所以，LoRa通信技術是橋梁健康監測系統比較理想的通信技術方式。

4 基于LoRa的橋梁健康監測系統

橋梁健康監測系統主要監測橋梁環境信息、橋梁荷載信息和結構響應信息。環境信息監測包括自然環境、地質水文、風環境、地震風險評估。荷載信息監測包括恒載、活載、溫度、風荷載和地震等。結構響應信息監測一般包括靜力位移和內力響應、動力位移、加速度響應等[5]。

濟廣高速河東特大橋結構安全監測系統包括各子系統：傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與存儲子系統、用戶界面與預警子系統。傳感器子系統采用的傳感器類型，包括壓力式靜力水準儀（撓度監測）、溫度計（主梁溫度監測）、拉繩式位移計（梁端位移監測）。

LoRa技術即具有藍牙、Zigbee等技術的低功耗、高傳輸速率的特點，同時又具備3G、4G等廣域網技術的遠距離傳輸的特點，因此適合應用于橋梁的監測系統中。河東特大橋結構安全監測系統的數據傳輸方案采用LoRa技術，無需現場鋪設光纜及建設監控中心機房，大大降低了建造成本和后期維護成本。

信號處理模塊負責將橋梁上布置的各類傳感器監測的數據集中采集，并將處理之后的數據通過LoRa終端設備以無線方式傳輸到網關、服務器，服務器端程序進行數據存儲與分析處理，最終在計算機或手機等設備上展示。

圖4 LoRa監測系統傳輸示意圖

也可以由計算機或手機等設備發出控制指令，通過服務器傳遞給網關，網關進一步把指令傳遞給信號中繼器和終端，最后由傳感器設備接受指令并執行。

圖5 橋梁監測系統網絡架構示意圖

基于LoRa技術的橋梁健康監測系統利用多個節點構成自組網，實際應用中橋梁跨度大，地處位置偏遠，通常需要二級中繼將各采集終端接入網關，最后傳送到中央服務器。

一般通信過程分為終端激活、加入網絡、數據傳輸。LoRa終端加入LoRaWAN網絡，都要先進行初始化及激活。激活后，終端會存儲設備地址、應用ID、網絡會話密鑰、應用會話密鑰等信息。終端成功加入網絡后，用戶可以通過電腦或手機等應用端設備向各類橋梁監測設備發送指令，也可將各類傳感器采集設備采集的數據傳輸到服務器，達到橋梁健康實時監測的目的。

5 結語

LoRa技術具有低功耗、遠距離傳輸等優點，使其在橋梁健康監測方面的有著巨大的優勢。同時可以實現無線架構，無需布線施工，維護成本低，使橋梁健康監測現狀能夠得到改善，極大的方便了各種橋梁監測傳感數據的傳輸，為橋梁健康監測系統的數據傳輸方案選型提供了一種可能性方案。