基于LoRa的水庫大壩智能安全監測系統研究與實現

謝長江， 梁永榮， 林艷燕

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004; 2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210012; 3.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012)

0 引 言

我國從20世紀90年代開始投入運行水庫大壩安全監測自動化系統。隨著社會經濟的發展，相關部門也深刻認識到水庫大壩安全監測是直接影響水利工程功能與作用的重要因素，近年來對許多水庫大壩進行了自動化升級改造。水庫大壩安全自動化監測是指在水庫大壩原型中設置對應的觀測儀器，通過自動化監測系統來展開現場測量獲取到相關的數據判斷和分析大壩結構的變化[1]。研究調查發現自動化監測系統存在以下問題：①有線布線成本高、功耗大和可擴展性弱；②偏遠測點無人值守；③廊道監測設備處于復雜密閉環境，傳統無線傳輸距離短、信號穿透力不強和系統數據運行不穩定。

LoRa具有長距離傳輸、穿透能力強、抗干擾能力強和超低電流功耗等優點[2]。本文提出一種基于LoRa的水庫大壩智能安全監測系統的技術方法，實現水庫大壩安全智能監測，數據穩定高效傳輸，能幫助管理人員做出準確和快速的災情預警預報。

1 系統結構與原理

根據物聯網的分層技術[3]，水庫大壩智能安全監測系統的總體架構分為感知層、傳輸層、平臺層和應用層。具體由集成LoRa模塊的智能監測終端、LoRa與4G透傳功能的低功耗中繼網關、云平臺和PC端組成，如圖1所示。

圖1 水庫大壩智能安全監測系統

智能監測終端主要包括對環境量、變形、滲流、應力應變和視頻等多項目監測以及集成LoRa通信模塊；LoRa中繼網關通過基站為感知層和平臺層之間建立“橋梁”，即與LoRa通信鏈接，匯集各種監測數據，通過4G上聯方式將數據傳輸至云平臺；平臺層接收監測的數據，并進行數據存儲、分析、處理、顯示以及報警；應用層實現使用計算機實時查看數據。

2 硬件設計

2.1 智能監測終端

2.1.1 LoRa模塊設計

LoRa屬于LPWAN通信技術[4]，是基于1 GHz以下的超長距離低功耗數據傳輸技術。主要的特點有：①遠距離，通信距離最大可以達到20 km；②低功耗，電池使用壽命可以達到5年～10年；③低速率，傳輸速率較低，最高僅為數百kbps。

無線模塊采用SX1278器件，利用高擴頻因子，將小容量數據通過大范圍無線電頻譜傳輸出去。主要運行在137 433～525 433 MHz免費頻段，包括433 MHz，接收靈敏度可達到-148 dBm，在空曠地區覆蓋范圍可到達15 km，建筑物之間可以達到3 km以上。具體原理如圖2所示。

圖2中:L1與C3組成了串聯諧振電路;L2與C10、L2與C11組成了兩組并聯諧振電路。數據經過濾波處理可以減輕外界高頻信號對其干擾，降低信噪比,并可以根據不同的通信頻率調整元件的參數，以達到最佳發射狀態。

圖2 SX 1278通信原理圖

2.1.2 智能監測終端設計

智能監測終端包含優化集成傳感器、采集儀、LoRa無線通信模塊和供電系統，主要負責水庫大壩現場各監測點的數據采集工作，硬件結構如圖3所示。除視頻監控采用市電供電外，其他都采用鋰電池供電，MCU采用ARM LPC 1788處理器，搭載LoRa通信模塊。LPC 1788是一款針對各種高級通信和高質量圖像顯示等應用場合的、高集成度的微控制器。外設組件包括512 kB Flash存儲器、4 kB的EEROM存儲器、5個UART、3個I2C接口、一個8通道12位ADC以及多達165個通用I/O管腳等。LPC 1788芯片集成了豐富的片內外設，通過對相應的寄存器寫入控制字，便可以將內部資源靈活配置到GPIO端口上，很好地滿足了多要素監測系統的需求。

圖3 智能監測終端結構圖

智能監測終端能實時采集和控制地表變形、內部變形、浸潤線(滲流滲壓)、滲漏量、雨量、庫水位、流量、氣溫、水溫以及視頻圖像等數據。由于水庫大壩安全監測多為靜態監測，對測量頻度要求不是很高，為達到省電使用時間最大化的目標，智能監測終端默認采用定時測量自報的工作方式。采用14.4 V/19 000 mAh一次性鋰電池供電，在無需外界供電的情況下可以穩定運行1年，完全可以確保雨季、汛期的測報工作的順利完成。而當發生突發事件時，終端進入工作狀態進行數據采集，通過LoRa無線傳輸匯集到LoRa中繼網關，并以報文的形式存在EEROM中。

2.2 智能網關

水庫大壩監測點分散、數量多。為提高系統的穩定性，自動化監測系統需要較低的功耗、較大的并發傳輸量以解決超大覆蓋半徑和復雜環境或野外環境建網難的問題。本文選用銳捷網絡的RG-IBS6120(E)作為LoRa中繼網關，它是面向全行場景的基于LoRa廣域物聯網通信的低功耗基站，支持標準的LoRaWAN協議，充分兼容LoRa無線通信模組接入。

RG-IBS6120(E)中繼網關主要有長距離覆蓋、多終端接入、高并發、網絡安全和射頻控制等重要特點，可支持在470～510 MHz頻段內工作，也可支持4G傳輸的上聯方式，主要技術參數如表1所示。

表1 RG-IBS6120(E)中繼網關技術參數

RG-IBS 6120(E)采用星形傳輸結構，針對不同的智能監測終端采用跳頻機制，通過探測射頻環境進行自適應算法，選擇不同的通信信道(470～510 MHz共320個可選)，負責指令的下達，數據的接收與上傳，以及系統的檢測和管理等功能。通過下行鏈路接收區域內LoRa監測終端上傳的數據，上行鏈路鏈接4G網絡，將數據上傳到水庫大壩安全監測云平臺，同時下發采集與控制命令到任意LoRa監測終端，如圖4所示。

圖4 RG-IBS 6120(E)工作示意圖

3 軟件設計

水庫大壩現場監測環境較惡劣，在供電與通信條件差的情況下，智能監測終端平時處于休眠狀態低功耗模式運行，只有當定時喚醒或發生突發事件時才處于工作狀態。除了硬件降低功耗，還設計低功耗軟件，包含了主動循環召測和閾值觸發兩種工作模式。

3.1 主動循環召測工作模式

主動循環召測工作模式是每個監測終端都設置好固定監測站號，RG-IBS 6120(E)發送召測命令即發送喚醒信號，智能終端響應命令進入工作模式，按照終端序號將采集到的數據發送給網關，網關成功接收數據后再向終端發送休眠信號。例如16個測站早上8∶00按照終端序號順序發送實時數據，流程如圖5所示。

圖5 主動循環召測流程圖

3.2 閾值觸發工作模式

該模式主要應用在重點監測區域，便于預警預報。智能監測終端處于實時監聽狀態，LoRa模塊處于空閑狀態，當多種監聽數據中的一種數據發生突變超過預設的閾值，立即激活通信模塊，將此突變數據通過LoRa和4G廣域網傳輸到遠程云平臺。

圖6以環境量監測中的溫度為例，智能終端監測環境溫度是否超閾值，超過閾值繼續判斷是否超過加報周期，超過則通過LoRa通信模塊發送數據。數據傳輸協議采用MODBUS協議，通過RG-IBS 6120(E)中繼網關解析命令。RG-IBS 6120(E)下行發送實時監測命令，對應監測終端立即響應；上行發送預警命令，通過4G網絡傳輸至云平臺，提醒工作人員及時采取措施。

圖6 閾值觸發工作流程圖

4 工程應用

水庫大壩常規監測安裝埋設監測儀器幾十到幾百件不等，測點分布十幾到幾十公里[5]。為驗證本系統的穩定性和可行性，本文選擇環境量監測中的環境溫度為監測對象，監測點分別分布在拱壩壩基、引水洞和發電廠房三處，分析不同測點的數據穩定性和2019年實時數據的連續性。

4.1 不同測點數據穩定性

2019年6月18日10∶00—11∶00對拱壩壩基、引水洞口和發電廠房外三處進行溫度比對試驗，結果如表2所示。三測點的接收溫度與發送溫度一致，接收數據條數與發送條數一致，數據接收完成率為100%，說明該系統具有很高的數據穩定性。

表2 不同測點環境溫度值表

4.2 年度數據連續性

統計2019年某大壩的實時氣溫值以驗證該系統的可行性。

從本年度氣溫最值統計表3和時序曲線圖7可以看出，該智能監測系統能夠連續實時反映監測數據，年最高氣溫出現在7—8月，最高氣溫為39 ℃。年最低氣溫出現在1月，最低氣溫為0 ℃。年平均氣溫為19.5 ℃，符合該庫區的溫度變化。

表3 庫區實時氣溫最值統計表

圖7 2019年實時氣溫時序曲線圖

5 結束語

在“互聯網+”“人工智能”“5G”時代應運而生的背景下，水庫大壩安全監測也應適應新常態。本文引入一種具有遠距離、低功耗和海量接入的LoRa新型網絡技術，該技術是全新的物聯網“最后1公里”接入方案，具有傳輸距離遠、信號穿透力強等優點，同時選址靈活，十分吻合水庫大壩安全監測的特殊性。通過智能監測終端，低功耗中繼網關和云平臺的組合，可提高數據傳輸的穩定性和系統的可行性，具有很好的應用價值。