LoRa 技術在水利信息化建設的應用

張靖翼，張志華

（1.山東省調水工程運行維護中心昌邑管理站，山東 濰坊 261000；2.水利部機電研究所，天津 301900）

0 概述

目前基于LoRa 技術無線傳感器網絡不斷發展，相關技術手段日益成熟，改善了傳統無線傳感器網絡的覆蓋范圍小、自組網能力單一、實時性差等缺陷，LoRa 無線傳感網絡技術的應用實現了動態實時地掌握水利狀況的信息，極大降低了人工成本，為我們實現水利信息的無線化監測數據的遠距離傳輸提供了良好的解決方案。

1 水利信息無線傳輸現狀

傳統的水利信息無線傳輸方式主要是以GPRS、ZigBee 等無線方式進行傳輸。雖然這幾種無線傳輸技術在傳輸速率、傳輸距離等方面有了很大的提高，但是傳輸方式仍然存在一些缺陷：

（1）通信問題

GPRS 無線通信技術受基站覆蓋范圍的限制，在偏遠地區、山區等通信差、信號薄弱的地方，會導致傳輸速率下降甚至無法有效傳送檢測數據信息。存在通信死角。

（2）費用問題

GPRS 終端在通信時要使用電信運營商的基礎建設，因此需要繳納一定費用。由于水利信息在一些時間段需要實時采集，并監測數據。所以產生的數據流量費用后續會一直存在。目前水利信息通信上無線通信技術已經應用較為普遍，基本解決了無線遠傳通信的問題，而無線WiFi、GPRS、ZigBee 等高頻通信方式，因為通信距離有限、系統較為復雜等缺陷，在實際應用過程中達到的效果并不理想，阻礙了水利信息智慧化發展。

2 LoRa 無線技術

LoRa 是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術。它具有傳輸距離遠、覆蓋面廣、結構簡單、多點連接、成本低以及低功耗等優點。在實際應用中，采用LoRa 無線通信技術的物聯網設備，通信距離可以達到10 km 以上，供電壽命達到10 年以上，LoRaWAN 協議的設備具有很強的互操作性。一個完全符合LoRaWAN 標準的通信網關可以接入5～10 km 內上萬個無線傳感器節點，其效率遠遠高于傳統的點對點輪詢的通信模式，也能大幅度降低節點通信功耗。因此，LoRa 技術在遠程水利信息方面的應用，對水利信息化中的信息監測技術有極大的促進作用。LoRa 的無線通信技術、星形組網結構等技術，也可以應用到其他更為復雜的水利場景，對提高水利信息的智慧化程度有促進作用。

3 LoRa 技術在水利信息上的應用

在水利信息化中，無線通信技術能夠在水文、水資源、水質監測、灌區等各個領域得到應用。

3.1 在水文上的應用

在水文數據采集中，LoRa 的無線技術有較好的應用。由于水文遙測站點位置主要建設在河流、湖泊、渠道以及靠山等地區。部分站點位置信號薄弱甚至無公網信號。LoRa 技術在對水位、流量、流速、降水量、水溫、冰凌、水質、地下水位等水文信息進行傳輸時有效解決了水文站中遇到的線路、信號等問題。它的優勢體現如下：

（1）在數據傳輸距離方面、網路結構的容量方面LoRa 技術具有很大的優勢，在水文遙測站建設時，只需要將采集的水文信息傳感器接入控制設備即可，建設時主要考慮測點水情要素以及布設位置點的選擇。

（2）在部分地區可以完全替代有線傳輸，免除有線傳輸布線煩瑣的問題，也降低了建設成本。LoRa無線技術在傳輸過程中不存在衰減問題，而有線傳輸由于一些原因，電纜出現衰減現象卻無法更換或難以更換電纜，新布線或更換工作煩瑣、需要大量的人力物力。

（3）針對復雜地區信號差或無信號的問題，可以通過LoRa 點對點將數據傳輸到有信號的地方，然后通過4G-DTU 再將數據遠程傳輸到服務器，或用戶電腦。以此來解決遙測站因無公網信號無法測控的問題。

（4）LoRa 主要在433 MHz、868 MHz、915 MHz 這些全球免費頻段運行。因此在數據傳輸中可以不依賴專網，通過LoRa 網關搭建組網系統。減少了專網的使用，同時也節約了成本。

（5）在維護方面，LoRa 無線技術故障診斷容易，設備維護便捷。當出現設備老化、損壞等狀況時，只需更換相應的設備即可。

LoRa 技術在水文上的應用有效提升了水文鋪設的范圍，使水文資料更加豐富，為水利建設提供了基礎，也間接提高了防汛減災的能力。根據動態的水文數據監測可以更及時發現可能發生的汛情、險情、災情信息，提高了防汛工作的效率。為防汛減災和保證人民生命財產安全做出了保障。

3.2 在灌溉上的應用

LoRa 在農業灌溉中的應用有著得天獨厚的優勢。農業灌溉中灌溉面積是一項重要參數，而LoRa技術通信距離最高可以達到15 km，可以覆蓋大面積農田。在灌溉系統應用中通過LoRa 把天氣和土壤等數據傳輸到灌溉系統進行科學分析來最優灌溉決策。因農業灌溉不需要長期灌溉，所以無需實時通信，而且LoRa 的低功耗特性使灌溉系統中電池的壽命有了很大的提升。減少了設備損耗，節約了成本。因此LoRa 的節水灌溉智能監控系統，解決了灌區低功耗和遠距離傳輸兩者不可兼顧的問題，提高了灌區水資源管理的科學化、現代化水平；對灌區水價進行改革，實行階梯水價，緩解水資源日益有限的矛盾、有效利用水資源，為實現科學節水型社會做出貢獻。

3.3 在水質監測中的應用

在水利水電自動化管理中，對水情水質的監測應用廣泛，主要負責對水情水質采集的參數進行技術分析，確保管理人員能夠實時掌握被監控區域的水庫、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雜，管理范圍較廣，想要依靠有線方式實現監控網絡的全覆蓋具有較大難度，因此需要使用無線通信技術實現對水情水質的遠距離監測。水質監測基于LoRa 的組網通信系統建設，將水情水質各類傳感器采集的水情水質數據信息傳輸到計算機終端。將數據信息完整的展現在監控平臺中。LoRa 技術在水質監測的應用豐富了水質監測在建設時對距離、位置選擇的方案，也改善了通信信號薄弱、易干擾對數據傳輸的影響。使水質監測性能得到提高。實現了監測數據的科學化分布式管理和低功耗的嵌入式水質監測系統，提高了管理效率。

4 LoRa 技術在水利建設中的先進性

4.1 星狀拓撲結構組網，供電壽命長

傳統組網采用樹形網狀拓撲，樹形結構的優勢是組網快，各廠商之間無需底層協議的互相支持即可完成組網。缺點是復雜性大，網絡容量有限，一旦某個設備出現故障，屬于該設備鏈路下的所有設備都不能正常工作。LoRa 技術采用星狀拓撲組網，這樣的布線實現起來比較簡單，并且所需的線纜數量也比較少。LoRa 網關在星狀拓撲網絡里起到中繼的作用，建立終端設備和服務器的連接。網關通過IP 與服務器進行連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信。星形網方式組網可以實現多通道并行接收,同時處理多路信號，這大大增加了網絡容量。

由于LoRa 的低功耗優勢，可以在不需要使用物聯網設備時，讓設備自動進入休眠模式。并且物聯網設備處于休眠模式時耗電非常少，所以這一優勢有助于節省電力。低功耗和低使用率又引起連鎖反應，進而提高了供電壽命。

4.2 覆蓋范圍大，采集數據靈敏

傳統的無線傳輸技術傳輸距離短，覆蓋范圍小主要是因為發射出來的有用功率隨距離衰減而在終端側達不到解調的信噪比要求。而LoRa 的擴頻技術以帶寬換功率、以帶寬換信噪比，從而降低了信噪比要求。鏈路預算高達157 dB，使其通信距離可達15 km（與環境有關），極大提高了覆蓋范圍。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，大大延長了電池的使用壽命。同時LoRa 具有前向糾錯（FEC）技術，使得LoRa 采集數據的靈敏度、抗干擾能力相比以往的無線技術有了顯著地提高。

4.3 成本較低，便于維護，安全性高

在成本方面LoRa 模塊的成本在8～10 美元左右，LoRa 在免許可證頻段上運行，因此可以通過簡單的網絡體系結構和較低的運營成本來構建網絡。在構建網絡過程中，可以免費試用LoRa 通信協議來構建網絡，而使用GPRS 通信協議來構建網絡需要購買SIM 卡收取流量費用。在設備維護方面具備VPN 功能的LoRa 網關，在通信加密和網關維護管理方面也非常便捷。可以利用VPN 對LoRa 網關進行遠程管理和維護，并且由于VPN 本身的保密特性，對網關的這種遠程管理和維護的過程是可以加密的，安全性有了保障。

5 結語

LoRa 技術在水利信息上得到了廣泛運用，低功耗、遠距離傳輸、低廉成本的特點也順應了無線通信在水文、農業灌溉、水質監測通信距離普遍較遠、供電困難等現實問題。提高了范圍內數據傳輸效率，為水利信息化建設增添了新的技術手段，還可結合實際需求進行無線通信技術的合理應用，推動水利管理工作的信息化、科學化發展。

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