桥梁健康监测系统中LoRa技术的应用研究

赵翔，杜赛赛，谢黎明，徐寒亭

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 桥梁健康监测系统信息传输现状

1.1 目前传输方式分析

桥梁健康监测系统信息主要采用的传输方式有：①RS-232有线方式，传输距离小于20m；②RS-485有线方式，传输距离最远可达1200m。③光纤技术有线传输方式、GSM/GPRS无线传输方式；④通过北斗卫星传输以及其他传输方式。现有的传输方式都存在一定的缺陷，分析如下。

①RS-232接口抗干扰能力弱，传输速度不高，传输距离有限，不适于桥梁健康监测系统对远距离传输的要求。

②RS-485抗干扰能力强，传输速度快，最大传输距离100m，实际可达到1200m。但是在桥梁实现有线方式就需要采用地埋铺设或者架空布线方式，但较为繁琐，施工难度巨大。

③光纤技术抗电磁干扰，通信容量大，传输距离远，尺寸小，重量轻，但是也是有线方式布设，需要特殊工具、设备，施工难度大，同时有供电困难问题。

④GSM/GPRS、卫星等无线方式传输，基于公网的数据通信业务，对应用者其维护工作量小，但应用时将产生通信费用且后续费用将一直存在，不适合大量数据的传输。

综上所述，目前桥梁健康监测系统通常采用光纤通信或者GSM/GPRS无线方式，基本满足远程传输的需求，但是对于偏远、特殊环境的大桥监测项目，还没有更方便、更经济的传输方法。

1.2 LoRa技术背景

LoRa是Semtech公司发布的一种基于1GHz以下的超长距、低功耗数据传输技术，这一技术接收灵敏度高，通信距离远。LoRaWAN是LoRa技术的网络协议，可以为各种物联网设备提供区域、全国或全球的网络。LoRa技术高性能，成本低，易于建设和部署，成为物联网大规模推广应用的一种理想技术选择[1][2]。LPWAN相关组织LoRa联盟目前在全球已有145位成员。据LoRa联盟统计目前已经有34个公开声明部署的网络，至少150个城市进行试点部署。国内从事LoRa模块和方案开发的厂商有AUGTEK、普天通达、三凡信息等公司。LoRa技术已经得到越来越多的公司关注，虽然目前国内的LoRa应用并不多，但是未来会有更多的LoRa项目在国内开展。

2 LoRa技术传输原理

LoRa网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、网络服务器以及应用服务器组成。应用数据可以双向传输。LoRaWAN是一个典型的星形拓扑结构，在这个架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，实现前端的终端设备和后端中央服务器之间的通信。网关与中央服务器之间通过IP协议通信。所有的节点与网关间均是双向通信[3]。

终端设备与网关之间的通信有多种数据速率和不同的信道频率可以选择。数据率的选择需要在通信范围和信号时延之间进行权衡，同一信道使用不同数据率的通信之间不会相互干扰。

LoRaWAN可以划分为ClassA、Class B、Class C三种模式[4]：

图1 ClassA

Class A：双向通信终端设备。LoRa帧具有一个上行链路时隙，后面是两个下行链路时隙。该帧符合TDD拓扑。终端设备根据需要由终端设备自行安排。它是随机决定的，类似于ALOHA协议，同时也是功耗最低的。

图2 ClassB

Class B：划定接收时隙的双向通信终端设备。在下行链路期间使用额外的接收窗口，持续时间由网关使用信标帧指定，这种方式LoRa系统在终端设备可以收听时向服务器指示。

图3 ClassC

Class C：具有最大接收窗口的双向通信终端设备。除传输模式外，此类终端设备可以一直监听。因此，它非常适合需要更多下行链路传输的应用。比A类和B类设备使用更多功率，但是延迟最低。

3 桥梁健康监测系统传输的技术分析

根据相关资料，下表给出了目前流行的各种传输系统的技术参数指标。

不同通信方式的技术参数对比

根据表中的参数可知，LoRa通信技术高达162dB的链路预算使其通信距离最远可达30km。同时又具有良好的抗干扰性、可靠性和较好的可跟踪性。和目前的通讯方式相比，LoRa通信技术具备传输距离长、功耗低、成本低、易于部署等特点。所以，LoRa通信技术是桥梁健康监测系统比较理想的通信技术方式。

4 基于LoRa的桥梁健康监测系统

桥梁健康监测系统主要监测桥梁环境信息、桥梁荷载信息和结构响应信息。环境信息监测包括自然环境、地质水文、风环境、地震风险评估。荷载信息监测包括恒载、活载、温度、风荷载和地震等。结构响应信息监测一般包括静力位移和内力响应、动力位移、加速度响应等[5]。

济广高速河东特大桥结构安全监测系统包括各子系统：传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与存储子系统、用户界面与预警子系统。传感器子系统采用的传感器类型，包括压力式静力水准仪（挠度监测）、温度计（主梁温度监测）、拉绳式位移计（梁端位移监测）。

LoRa技术即具有蓝牙、Zigbee等技术的低功耗、高传输速率的特点，同时又具备3G、4G等广域网技术的远距离传输的特点，因此适合应用于桥梁的监测系统中。河东特大桥结构安全监测系统的数据传输方案采用LoRa技术，无需现场铺设光缆及建设监控中心机房，大大降低了建造成本和后期维护成本。

信号处理模块负责将桥梁上布置的各类传感器监测的数据集中采集，并将处理之后的数据通过LoRa终端设备以无线方式传输到网关、服务器，服务器端程序进行数据存储与分析处理，最终在计算机或手机等设备上展示。

图4 LoRa监测系统传输示意图

也可以由计算机或手机等设备发出控制指令，通过服务器传递给网关，网关进一步把指令传递给信号中继器和终端，最后由传感器设备接受指令并执行。

图5 桥梁监测系统网络架构示意图

基于LoRa技术的桥梁健康监测系统利用多个节点构成自组网，实际应用中桥梁跨度大，地处位置偏远，通常需要二级中继将各采集终端接入网关，最后传送到中央服务器。

一般通信过程分为终端激活、加入网络、数据传输。LoRa终端加入LoRaWAN网络，都要先进行初始化及激活。激活后，终端会存储设备地址、应用ID、网络会话密钥、应用会话密钥等信息。终端成功加入网络后，用户可以通过电脑或手机等应用端设备向各类桥梁监测设备发送指令，也可将各类传感器采集设备采集的数据传输到服务器，达到桥梁健康实时监测的目的。

5 结语

LoRa技术具有低功耗、远距离传输等优点，使其在桥梁健康监测方面的有着巨大的优势。同时可以实现无线架构，无需布线施工，维护成本低，使桥梁健康监测现状能够得到改善，极大的方便了各种桥梁监测传感数据的传输，为桥梁健康监测系统的数据传输方案选型提供了一种可能性方案。