基于LoRa的水库大坝智能安全监测系统研究与实现

谢长江， 梁永荣， 林艳燕

(1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004; 2.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京 210012; 3.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012)

0 引 言

我国从20世纪90年代开始投入运行水库大坝安全监测自动化系统。随着社会经济的发展，相关部门也深刻认识到水库大坝安全监测是直接影响水利工程功能与作用的重要因素，近年来对许多水库大坝进行了自动化升级改造。水库大坝安全自动化监测是指在水库大坝原型中设置对应的观测仪器，通过自动化监测系统来展开现场测量获取到相关的数据判断和分析大坝结构的变化[1]。研究调查发现自动化监测系统存在以下问题：①有线布线成本高、功耗大和可扩展性弱；②偏远测点无人值守；③廊道监测设备处于复杂密闭环境，传统无线传输距离短、信号穿透力不强和系统数据运行不稳定。

LoRa具有长距离传输、穿透能力强、抗干扰能力强和超低电流功耗等优点[2]。本文提出一种基于LoRa的水库大坝智能安全监测系统的技术方法，实现水库大坝安全智能监测，数据稳定高效传输，能帮助管理人员做出准确和快速的灾情预警预报。

1 系统结构与原理

根据物联网的分层技术[3]，水库大坝智能安全监测系统的总体架构分为感知层、传输层、平台层和应用层。具体由集成LoRa模块的智能监测终端、LoRa与4G透传功能的低功耗中继网关、云平台和PC端组成，如图1所示。

图1 水库大坝智能安全监测系统

智能监测终端主要包括对环境量、变形、渗流、应力应变和视频等多项目监测以及集成LoRa通信模块；LoRa中继网关通过基站为感知层和平台层之间建立“桥梁”，即与LoRa通信链接，汇集各种监测数据，通过4G上联方式将数据传输至云平台；平台层接收监测的数据，并进行数据存储、分析、处理、显示以及报警；应用层实现使用计算机实时查看数据。

2 硬件设计

2.1 智能监测终端

2.1.1 LoRa模块设计

LoRa属于LPWAN通信技术[4]，是基于1 GHz以下的超长距离低功耗数据传输技术。主要的特点有：①远距离，通信距离最大可以达到20 km；②低功耗，电池使用寿命可以达到5年～10年；③低速率，传输速率较低，最高仅为数百kbps。

无线模块采用SX1278器件，利用高扩频因子，将小容量数据通过大范围无线电频谱传输出去。主要运行在137 433～525 433 MHz免费频段，包括433 MHz，接收灵敏度可达到-148 dBm，在空旷地区覆盖范围可到达15 km，建筑物之间可以达到3 km以上。具体原理如图2所示。

图2中:L1与C3组成了串联谐振电路;L2与C10、L2与C11组成了两组并联谐振电路。数据经过滤波处理可以减轻外界高频信号对其干扰，降低信噪比,并可以根据不同的通信频率调整元件的参数，以达到最佳发射状态。

图2 SX 1278通信原理图

2.1.2 智能监测终端设计

智能监测终端包含优化集成传感器、采集仪、LoRa无线通信模块和供电系统，主要负责水库大坝现场各监测点的数据采集工作，硬件结构如图3所示。除视频监控采用市电供电外，其他都采用锂电池供电，MCU采用ARM LPC 1788处理器，搭载LoRa通信模块。LPC 1788是一款针对各种高级通信和高质量图像显示等应用场合的、高集成度的微控制器。外设组件包括512 kB Flash存储器、4 kB的EEROM存储器、5个UART、3个I2C接口、一个8通道12位ADC以及多达165个通用I/O管脚等。LPC 1788芯片集成了丰富的片内外设，通过对相应的寄存器写入控制字，便可以将内部资源灵活配置到GPIO端口上，很好地满足了多要素监测系统的需求。

图3 智能监测终端结构图

智能监测终端能实时采集和控制地表变形、内部变形、浸润线(渗流渗压)、渗漏量、雨量、库水位、流量、气温、水温以及视频图像等数据。由于水库大坝安全监测多为静态监测，对测量频度要求不是很高，为达到省电使用时间最大化的目标，智能监测终端默认采用定时测量自报的工作方式。采用14.4 V/19 000 mAh一次性锂电池供电，在无需外界供电的情况下可以稳定运行1年，完全可以确保雨季、汛期的测报工作的顺利完成。而当发生突发事件时，终端进入工作状态进行数据采集，通过LoRa无线传输汇集到LoRa中继网关，并以报文的形式存在EEROM中。

2.2 智能网关

水库大坝监测点分散、数量多。为提高系统的稳定性，自动化监测系统需要较低的功耗、较大的并发传输量以解决超大覆盖半径和复杂环境或野外环境建网难的问题。本文选用锐捷网络的RG-IBS6120(E)作为LoRa中继网关，它是面向全行场景的基于LoRa广域物联网通信的低功耗基站，支持标准的LoRaWAN协议，充分兼容LoRa无线通信模组接入。

RG-IBS6120(E)中继网关主要有长距离覆盖、多终端接入、高并发、网络安全和射频控制等重要特点，可支持在470～510 MHz频段内工作，也可支持4G传输的上联方式，主要技术参数如表1所示。

表1 RG-IBS6120(E)中继网关技术参数

RG-IBS 6120(E)采用星形传输结构，针对不同的智能监测终端采用跳频机制，通过探测射频环境进行自适应算法，选择不同的通信信道(470～510 MHz共320个可选)，负责指令的下达，数据的接收与上传，以及系统的检测和管理等功能。通过下行链路接收区域内LoRa监测终端上传的数据，上行链路链接4G网络，将数据上传到水库大坝安全监测云平台，同时下发采集与控制命令到任意LoRa监测终端，如图4所示。

图4 RG-IBS 6120(E)工作示意图

3 软件设计

水库大坝现场监测环境较恶劣，在供电与通信条件差的情况下，智能监测终端平时处于休眠状态低功耗模式运行，只有当定时唤醒或发生突发事件时才处于工作状态。除了硬件降低功耗，还设计低功耗软件，包含了主动循环召测和阈值触发两种工作模式。

3.1 主动循环召测工作模式

主动循环召测工作模式是每个监测终端都设置好固定监测站号，RG-IBS 6120(E)发送召测命令即发送唤醒信号，智能终端响应命令进入工作模式，按照终端序号将采集到的数据发送给网关，网关成功接收数据后再向终端发送休眠信号。例如16个测站早上8∶00按照终端序号顺序发送实时数据，流程如图5所示。

图5 主动循环召测流程图

3.2 阈值触发工作模式

该模式主要应用在重点监测区域，便于预警预报。智能监测终端处于实时监听状态，LoRa模块处于空闲状态，当多种监听数据中的一种数据发生突变超过预设的阈值，立即激活通信模块，将此突变数据通过LoRa和4G广域网传输到远程云平台。

图6以环境量监测中的温度为例，智能终端监测环境温度是否超阈值，超过阈值继续判断是否超过加报周期，超过则通过LoRa通信模块发送数据。数据传输协议采用MODBUS协议，通过RG-IBS 6120(E)中继网关解析命令。RG-IBS 6120(E)下行发送实时监测命令，对应监测终端立即响应；上行发送预警命令，通过4G网络传输至云平台，提醒工作人员及时采取措施。

图6 阈值触发工作流程图

4 工程应用

水库大坝常规监测安装埋设监测仪器几十到几百件不等，测点分布十几到几十公里[5]。为验证本系统的稳定性和可行性，本文选择环境量监测中的环境温度为监测对象，监测点分别分布在拱坝坝基、引水洞和发电厂房三处，分析不同测点的数据稳定性和2019年实时数据的连续性。

4.1 不同测点数据稳定性

2019年6月18日10∶00—11∶00对拱坝坝基、引水洞口和发电厂房外三处进行温度比对试验，结果如表2所示。三测点的接收温度与发送温度一致，接收数据条数与发送条数一致，数据接收完成率为100%，说明该系统具有很高的数据稳定性。

表2 不同测点环境温度值表

4.2 年度数据连续性

统计2019年某大坝的实时气温值以验证该系统的可行性。

从本年度气温最值统计表3和时序曲线图7可以看出，该智能监测系统能够连续实时反映监测数据，年最高气温出现在7—8月，最高气温为39 ℃。年最低气温出现在1月，最低气温为0 ℃。年平均气温为19.5 ℃，符合该库区的温度变化。

表3 库区实时气温最值统计表

图7 2019年实时气温时序曲线图

5 结束语

在“互联网+”“人工智能”“5G”时代应运而生的背景下，水库大坝安全监测也应适应新常态。本文引入一种具有远距离、低功耗和海量接入的LoRa新型网络技术，该技术是全新的物联网“最后1公里”接入方案，具有传输距离远、信号穿透力强等优点，同时选址灵活，十分吻合水库大坝安全监测的特殊性。通过智能监测终端，低功耗中继网关和云平台的组合，可提高数据传输的稳定性和系统的可行性，具有很好的应用价值。