LPWAN技术在鄂州民信闸重建工程中的研究与应用

刘贤才，年夫喜，姚玮达，宾贝丽，徐胜平

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院， 湖北 武汉 430070；2.鄂州市水利建筑设计研究院有限公司， 湖北 鄂州 436000)

LPWAN技术[1]近几年的发展呈现井喷势头，LPWAN能源表计的出货量早已超过千万级。在中小型水利工程中，终端设备跨度远，不方便取电，LPWAN低功耗、广覆盖的优势特点正好满足需求，但如何利用LPWAN的通信产品来组网，并确保通信效果，在中小型水利工程中还处于探索阶段[2]。鄂州民信闸重建工程中，采用LPWAN基站和单元对相关仪器、仪表、设备进行组网，无线通信环境中有树林、山坡、建筑物等，代表了水利工程中的常见场景，组网模式、运行和测试数据以及优化措施等，对中小型水利工程应用LPWAN有参考意义。

1 方案研究

1.1 LPWAN技术简介

LPWAN技术近几年迅猛发展，其低功耗、广覆盖、能自组专网的优势明显，在很多行业开始广泛采用[3-5]。其与目前市场上几种常见的无线技术对比见表1。

从表1可以看出，LPWAN技术的通信距离和功耗两项指标比较理想：

表1 无线传输技术对比表

(1) 降低建设成本。各类终端设备的通信端口与LPWAN模块连接，由此大大降低线缆、光纤主机、交换机等材料和设备成本，还降低施工成本。

(2) 便于运营维护。采用LPWAN技术，消除了线缆意外断开而通信中断的隐患；排查故障只需要从终端设备、通信模块两方面入手，省去了长距离排查线缆的工作量；终端设备的移动和扩容也都比较方便。

(3) 便于搭建统一的信息化平台。采用LPWAN技术，可以将各个终端设备快速、便捷的组成同一个系统，避免多个后台形成的信息孤岛，运营管理更加统一高效。

LPWAN的短板是收发速率低，但中小型水利工程中，绝大多数终端设备的通信速率本身就很低，两者正好匹配。LPWAN门类下的细分有几种技术，其中以LoRa、NB-IoT、Cat.1为主。三者对比，Cat.1目前刚刚起步，NB-IoT也只处于初期阶段，两者都依赖公网通信，而大部分地区的公网基站还没有部署Cat.1、NB-IoT，此外中小型水利工程一般地处偏远，公网基站信号质量难以保证；LoRa属于点对点通信技术，不依赖公网基站，灵活性更好，此外LoRa起步早一些，上下游产业链已经比较成熟。因此，论文重点研究以LoRa为主、其它无线通信技术为辅的LPWAN组网系统[6]。

1.2 技术路线

1.2.1 LPWAN终端设备比选

第1类：高速率、收发延时短、大型机电设备等，必须采用有线连接。如视频摄像头、对讲机、大型电动机。

第2类：除开第1类，水利工程中大多数终端设备均可以采用LPWAN通信，其特性如下：

(1) 数据收发允许有一定延时的(0.5 s～5.0 s)。

(2) 机构动作延时允许有一定延时的(0.5 s～5.0 s)。

(3) 收发数据是低速率的(30 kbps以下)。

(4) 数据收发频率不频繁的(几秒至几小时一次)。

中小型水利工程中的大多数终端设备也属于第2类，如水位计、压力计、流量计、雨量计、温湿度计、振弦类安全监测仪、机电设备温度仪等，均可采用LPWAN连接；此外，中小型的闸门、阀门，启降、开关延时要求不高的，也可以接入LPWAN网[7]。

1.2.2 组网系统比选

点对点通信：LPWAN最简单最基本的通信方式，一发一收。

星形组网：以LPWAN基站为中心，与周边LoRa单元组网。星形组网是最普遍模式，这其中，如果是“广播”通信，对发送时段没要求；如果是“周边对中心”通信，则各终端要分时段发送，以避免数据冲突。

桥式连接：在一些狭长的场景下，从起点到终点可能长达几千米，可以采取A连B，B连C……的桥式连接。这种连接的延时会有增加很多，基站或节点数不宜超过3个。

网关通信：LPWAN基站接收到周边LoRa单元数据，转变协议后与公网进行通信。

混合组网：上述几种组网方式灵活搭配，混合组网[8-9]。

2 方案实施

2.1 总体方案设计

根据民信闸项目的实际情况，以及LPWAN技术的普遍使用意义[10-11]，对LPWAN通信组网方案的设计为：对水闸监测终端设备上安装LPWAN通信单元，建设LPWAN基站，以星形方式连接组网，基站汇总各终端的数据后通过NB-IoT/4G网关发送到云平台。方案架构示意图见图1。

图1 民信闸LPWAN通信组网方案

从图1可见，方案的终端层是各类仪器、仪表、设备，如压力表、流量计、雨量计、水位计、水质仪、安全监测传感器、闸门、泵、电动阀门等。这些终端大多是RS485或RS232输出，可以直接与LPWAN设备连接；有些终端是4 mA～20 mA或其它输出信号，可通过信号转换模块来变送后连接。

方案的中间层是通信层，主要包括LPWAN基站和LoRa单元。一个LoRa单元可以连接1个至几个终端，基站汇总周边LoRa单元的数据，组成自管专网。基站覆盖半径一般在1 km，根据阻挡场景不同有较大变化。LPWAN基站可以直接与公网基站连接(民信闸是这种)，也可以桥式连接后与本地后台通信，还可以把桥接连接末端的基站与公网基站连接，通过远程后台进行数据收发。

方案的顶层是后台系统，有本地后台、远程后台(含手机后台)、服务器。后台软件开发属于常规技术，可以在组态软件基础上做工程，具有数据的存储、列表显示和曲线图显示功能，可以分析、计算、报警。对于远程后台服务器，考虑到其成本较高，中小型水利工程自建服务器意义不大，而目前国内云服务器性能均达到要求，租用费用也不是很高，所以可以采用租云服务器方式。对于手机后台，前几年的潮流是开发APP，功能比较强大，但开发成本高；近两年开始微信小程序发展成熟，功能有监测、操作、报警，能达到基本需求；微信小程序开发简单，使用方便，预计未来将占据主流[12]。

2.2 实施

2.2.1 终端设备的连接

根据民信闸的工程总体情况，连接的终端包括：超声波水位计、温湿度计、水质监测仪(pH计)、机电设备温度仪、安全监测仪等。由于工程总体施工周期长，当前具备接入LPWAN条件的是超声波水位计、温湿度计、pH计，而机电设备温度仪、振弦安全监测仪的数据只能做测试接入，待工程全部竣工后再正式接入。具体部署安装上，水位计固定在闸站上，温度仪和安全监测仪放置在控制室，温湿度计、pH计采用移动式，部署在闸站周边几百米的不同地点，可以移动到各个有代表性的场景点(如无阻挡、树林阻挡、山坡阻挡、建筑物阻挡)，以测试LPWAN组网通信的稳定性[13-14]。

2.2.2 LPWAN基站、LPWAN单元

LPWAN基站的设备箱内有LoRa模块、NB-IoT/4G模块、分线器、电源模块、防雷模块等。基站覆盖半径理论上可以达到5 km，但按实际场景预估为2 km，由于民信闸区域不大，建设一个LPWAN基站即可以覆盖相关到LPWAN单元。基站设备箱内的LoRa模块发射功率20 dBm(0.1 W)、灵敏度-138 dBm、通信频段470 MHz，休眠电流1 mA/DC 12 V，收发瞬时电流30 mA/DC 12 V[15]；该模块输出的信号进分线器，分线器分出2路输出，1路进入本地后台系统，另外1路供现场检测用，也可以通过网关进入远程后台。电源模块将220交直流电变成各模块工作电压(一般直流12 V)，或者对风光供电系统的电压进行控制后输出。防雷模块对一般的雷击和浪涌进行保护。基站设备箱采用户外防雨型，设备箱有空气自对流散热功能，以确保箱内温湿度处于合适区间。基站采用抱箍固定于立杆上。基站整套装置采用18 V/100 W太阳能电池板、12 V/60 AH蓄电池的供电系统，可以满足连续运行的供电要求；该供电配置使用在长江中下游地区，其它地区使用可对比全年日照时间，调整配置太阳能电池板、蓄电池大小。

LPWAN单元的设备箱内有LoRa模块、信号转换模块、电源模块、防雷模块等。LoRa模块型号选择和基站一样的，参数配置除了ID外与基站的基本相同。一个专网内的每个LoRa模块的ID是唯一的，ID编号一般间隔10个以上，便于以后扩容。终端设备如果是RS485输出，可以直连LoRa模块，温湿度、4 mA～20 mA、0 V～5 V等信号接入后经过转换模块变为RS485再连LoRa模块。1个单元连接的终端设备的数量不宜超过8个，一个LPWAN基站的节点容量(LPWAN单元数量)1 000个以内为宜。LPWAN单元可以利用终端设备的电源来供电，或者采用比基站更小的太阳能供电系统。

2.2.3 LPWAN一体式模块

前文所述，LPWAN单元通过远程后台控制，平均功耗还是较高，无法实现内置电池长期供电运行，与LPWAN技术的初衷还有一定差距。近两、三年开始，能源表计、温湿度计、压力表等终端将LPWAN模组内嵌，采用“深度休眠、定时唤醒发送”的模式运行，功耗大幅度降低，两节普通电池可以运行3 a以上。但水利相关的大多数终端还没有实现LPWAN模组内嵌，从理论上看并没有难点，只需将终端模组与LPWAN模组结合，相信以后陆续有水位、流量、雨情、安全监测传感器等各类终端内嵌LPWAN模组，成为一体式模块，真正实现在远距离、低功耗运行。

2.2.4 LPWAN监测后台软件

开发LPWAN监测后台软件。后台软件在组态软件基础上编辑工程，具有存储、显示、控制、设置、分析、报警等功能，软件可以安装在本地电脑上，也可以安装在云服务器上。

3 效果分析

民信闸的5个LPWAN单元总共连接9个终端设备，分别是1个水位计、2个温湿度计、1个水质pH监测仪、1台振弦安全监测仪、4个机电设备温度仪，单元每隔1 min向基站发送1次数据(每个单元间隔)，随机抽选24 h运行和测试情况见表2。

表2 运行和测试效果统计表

从表2可以发现：LPWAN组网在短距离(500 m内)，如果有小树林、围墙等阻挡，信号会受到影响，数据收发成功率在97%左右；如果阻挡物比较密集、体积大，信号会进一步降低；但收发地点即使距离中远(1 km左右)，只要可以对视，数据收发成功率仍旧能达到100%。数据表明，水利工程中LPWAN组网在基站与单元能对视的场景下，可以按照间距1 km以上部署，如无法对视，遮挡物会对通信质量造成较大影响，丢包率会大幅增加[16]；为了确保通信良好，LPWAN基站和单元应选择合理的部署地点，基站的立杆尽量架高，以实现收发对视或减少阻挡来确保通信稳定性。

4 结论和展望

LPWAN技术和产品在民信闸中的应用研究发现，水利工程中大多数终端设备均可以采用LPWAN组网，LPWAN基站和单元在装配上需考虑通信接口、太阳能供电等，LPWAN模组嵌入终端设备组合成一体式模块理论上可行。在水利工程常见场景下部署LPWAN，对视1 km、小树林等阻挡0.5 km通信问题不大，但如果阻挡物更密集则难以保证通信质量，因此，LPWAN组网时应将基站尽量架高一些。LPWAN技术在鄂州市民信闸中的应用对该技术在中小型水利工程中推广应用具有实际参照意义。