LoRa 技術在水文監測系統中的應用

劉卓 田浩 彭飛

摘要：水文事業是國民經濟和社會發展的基礎性公益事業，水文監測為防汛抗旱、水資源管理、水生態保護等提供基礎數據支撐。為了進一步提高水文監測系統的穩定性和可靠性，文章提出了一種基于LoRa技術的水文監測系統設計方案，系統地研究了LoRa技術的特點及優勢，并選取星型網絡拓撲結構進行組網，實現了水文數據的自動采集和傳輸，擴大了傳輸距離和范圍，降低了傳輸功耗及傳輸成本。關鍵詞：LoRa;物聯網;水文監測

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

Application of LoRa technology in hydrological monitoring system

LIU Zhuol，TIAN Hao2，PENG Fei3

（1.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau，Yellow River Water Conservancy Commission，Jinan 250100，China; 2.Yellow River Water Conservancy Commission Henan Hydrology and Water Resources Bureau，Zhengzhou 450004，China;3.Yellow River Water Conservancy Commission Hydrology Bureau，Zhengzhou 450004，China）

Abstract：Hydrology is the basis fornational economic and social development and public welfare undertakings，and hydrological monitoring provides basic data support for flood control and drought relief， water resources management and water ecological protection.In order to further improve the stability and reliability of hydrological monitoring system， this paper puts forward a design scheme of hydrological monitoring system based on LoRa technology，systematically studies the characteristics and advantages of LoRa technology，and selects the star-shaped network topology structu for networking， which realizes the automatic collection and transmission of hydrological data，and expands the transmission distance range， and reduces the transmission power consumption and transmission cost.

Key words： LoRa，Internet of things，hydrological monitoring

1背景

隨著社會經濟的快速發展，人們對水文工作提出了更高的要求，現行水文監測方式和水文監測隊伍已不能滿足水文業務的發展需求與社會服務需求，特別是水文監測技術與管理模式落后、人少事多矛盾突出、設備運行維護困難、測報時效難以保證等問題已經成為制約水文事業可持續發展的重要因素。近年來，科技的迅速發展使得水文監測水平得到了很大的提升，水文監測手段正向以衛星、無人機、雷達、物聯網、移動寬帶互聯網、云計算及大數據分析技術為核心的空天地一體化智慧水文監測體系轉變。LoRa 是一種物聯網低功耗廣域網絡（ LPWAN）技術，具有遠距離、低功耗、多節點、低成本等特點，能更好地滿足水文監測系統的要求，全面提升水文服務能力。

2 LoRa 技術簡介

LoRa 是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，能夠將傳感器與智能設備組成物聯網，為用戶提供一種簡單的及能實現高性能、遠距離、低功耗、大容量的無線傳輸網絡。目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、470、868、915MHz 等[1]。LoRa 技術的優勢主要體現在以下幾個方面。

2.1傳輸距離長，功耗低

LoRa 具有較高的接收靈敏度，其無線模塊的通信距離可達15km，且其接收電流僅10mA，睡眠電流為200nA，極大地降低了功率，延長了電池的使用壽命。

2.2系統容量大

基于 LoRa 技術的無線傳感器網絡可容納多個終端節點，每個網關每天處理的節點之間的通信次數可達上萬次[2]。

2.3覆蓋范圍廣

LoRa 網關的覆蓋范圍廣，在20dB（100mW）的發射功率下，在密集的城市覆蓋范圍為2km 左右，在空曠的郊區覆蓋范圍可達10km[3]。

綜上所述，LoRa 技術具有遠距離、低功耗、多節點、低成本的特性，與 ZigBee，Wi?Fi，Bluetooth 等無線通信技術相比，能更好地滿足水文監測系統的要求。 LoRa 技術與其他無線通信技術的性能對比見表1。

3系統方案設計

3.1系統總體設計

3.1.1系統總體結構

基于 LoRa 技術的水文監測系統由感知層、網絡層和應用層組成。其中，感知層主要由各類水文監測傳感器、LoRa 無線傳感器節點、LoRa 網關等組成;網絡層主要負責傳遞和處理感知層發送來的數據信息，主要包括互聯網、移動通信網、衛星通信網等;應用層主要是對傳輸層數據的接入管理、數據存儲、處理應用等，主要包括水文數據綜合管理、防汛抗旱、水資源管理、水環境保護等水文相關業務應用系統[4]。

基于 LoRa 技術的水文監測系統總體結構如圖1所示。

3.1.2無線通信網絡組網方式

本文選用結構簡單、時延較低的星型結構實現 LoRa 傳感器的組網，以滿足水文監測網絡對遠距離、低功耗和大容量傳輸的需求?；?LoRa 技術的水文監測系統由終端節點、網關節點和后臺服務器三部分組成：終端節點由 MCU 驅動相應的傳感器定期采集各種水文信息，并通過 LoRa 無線通信模塊將數據遠程傳輸給網關，再由網關將數據傳輸給后臺服務器以便進行分析處理。終端節點和網關節點組成的基于 LoRa 無線通信的傳感網絡是本文研究的重點。

（1）終端節點：主要負責水位、流量、泥沙、氣象、水質等水文監測信息的采集和處理，并將采集的數據通過 LoRa 射頻部分遠程發送給網關。

（2）網關：主要負責終端節點采集的水文信息的接收和向后轉發。在星型網絡架構中，其作為透明中繼連接前向終端節點和后臺服務器。網關和服務器之間可通過以太網或 GPRS，4G/5G 等實現數據通信。

（3）后臺服務器：主要從網關處獲取終端上報的數據，分析終端節點傳感器采集的數據，完成數據應用、狀態展示等。

基于 LoRa 技術的水文監測系統網絡拓撲圖如圖2所示。

3.2感知層

感知層主要由測量單元和采集單元組成。測量單元包含水位、降雨量、水質、流量等水文要素測量傳感器，用于監測不同區域的實時水文要素。采集單元又可以為兩個部分，即一部分連接測量傳感器，將其采集的數據向 LoRa 網關節點進行發送，此部分由 LoRa 終端節點實現;另一部分用于融合和匯聚終端節點發送來的監測數據，此部分由 LoRa 網關模塊實現。

3.2.1測量單元

水文站測驗設備包括雷達式水位計、浮子式水位計、走航式 ADCP、雷達波流量測驗系統、翻斗式雨量計、自動氣象站、水質監測設備等。

3.2.2采集單元

（1）LoRa 終端節點

LoRa 終端節點將傳感器采集的水文數據通過無線射頻信號發送至網關。終端節點可內置濾波算法，自動校準，具有低功耗、采集精度高等特點，能夠實現雨量、水質、流量、壓力、流量、流速、超聲波水位等多種信號的采集。此外，終端節點還具有本地存儲功能，可以把采集到的數據保存到內置的 Flash 存儲器，一旦出現網絡故障，可以從本地讀取歷史數據，保證水文數據的完整性。

（2） LoRa 網關

LoRa 網關是感知層的核心，起著承上啟下的作用。其主要功能如下：①實現 LoRa 終端節點的自動協調組網及管理。在系統啟動時，網關節點負責對其所屬子網進行初始化，確保各終端節點之間以及與其在同一頻道工作的其他設備之間的信號不會互相影響，保證該區域子網正常運行。此外，在整個網絡啟動后，LoRa 網關通過向終端節點定時發送查詢命令的方式來檢測是否有新的網絡節點加入。若有，新節點會自動添加到網絡節點列表，并更新路由表。同時，LoRa 網關可獲取終端節點的相關信息（包括運行狀態、設備屬性、電源能量等），能夠對子網內的終端節點進行管理，如休眠喚醒、節點控制、故障診斷、升級更新等;②實現不同類型網絡之間的協議轉換。 LoRa 網關為不同類型的網絡搭建橋梁，一方面，其可將感知網絡的傳輸數據格式進行標準化封裝，使其能夠與其他網絡節點進行通信（如 Internet、衛星或移動通信網絡等），實現局域網到廣域網之間的數據傳輸;另一方面，LoRa 網關能夠將應用層下發的控制指令等進行解析，使其被 LoRa 終端節點識別，實現廣域網到局域網設備的控制等。

3.3網絡層

網絡層是感知層和應用層之間的橋梁，其主要任務是將網關匯聚的數據傳輸至應用層數據接收處理服務器?？筛鶕鬏數臄祿愋汀鬏斁嚯x等，選擇不同的網絡傳輸方式，包括水利專網、GPRS，4G/5G、北斗衛星等。

3.4應用層

應用層的主要任務是完成對網絡層傳輸的數據的接入管理、數據存儲，以及將數據分析處理后供用戶使用等，其中包括水文數據綜合管理、防汛抗旱、水資源管理、水環境保護等相關水文業務應用系統，為監控和決策流域防汛抗旱提供及時、真實、直觀的技術支持。應用層可采用大數據匯集、分析、挖掘、管理等技術，通過高性能計算、核心高效算法、海量數據學習和訓練相關模型，從海量數據中找尋規律、發現價值，提高智能決策的準確性和穩定性，實現水文監測智慧化。

4應用實例

2018年，在盧溝橋水文站測驗基礎設施遷建工程中，采用了基于 LoRa 的物聯網技術建設水文監測系統，實現水位、流量、降雨等水文信息的實時、準確、高效傳輸與監測，節約了成本，提升了水文自動化監測水平，能夠更好地為海河流域（尤其是北京、天津）的防汛抗旱、水資源管理與保護工作提供及時、有效、準確的水文信息支撐，為實現智慧水文奠定了基礎。

5結語

隨著水利事業高質量發展以及物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展，作為基礎水信息采集與處理的水文部門將迎來新的發展機遇。 LoRa 技術是 LPWAN 通信技術的重要組成部分，是基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，具有傳輸距離遠、功耗低、組網節點多等優點。將 LoRa 技術應用到水文監測系統中，實現對水文信息的自動采集和傳輸，擴大了傳輸范圍，降低了傳輸功耗及傳輸成本，為水文大數據分析和現代化水文業務應用提供信息支撐，為實現智慧水文奠定了基礎。

參考文獻：

[1]張肅，趙洪麗，王偉，等.LoRa 嵌入式傳感監測終端研究與應用[ J].中國科技投資，2018（30）：219.

[2]林飛振.基于 LoRa 技術的無線溫度監控系統設計[ J ].工業計量，2021，31（4）：46?48.

[3]史東華，李然.基于 LoRa 技術的水文遙測數據傳輸方式研究[J].水利水電快報，2021，42（2）：68?72.

[4]林虹秀，王飛，包樺楠.基于 LoRa 的環境監測系統[ J].電子技術與軟件工程，2017（13）：192.

作者簡介：

劉卓（1990—），碩士，研究方向：水文信息化。