LoRa 技术在水文监测系统中的应用

刘卓 田浩 彭飞

摘要：水文事业是国民经济和社会发展的基础性公益事业，水文监测为防汛抗旱、水资源管理、水生态保护等提供基础数据支撑。为了进一步提高水文监测系统的稳定性和可靠性，文章提出了一种基于LoRa技术的水文监测系统设计方案，系统地研究了LoRa技术的特点及优势，并选取星型网络拓扑结构进行组网，实现了水文数据的自动采集和传输，扩大了传输距离和范围，降低了传输功耗及传输成本。关键词：LoRa;物联网;水文监测

中图法分类号：TP391文献标识码：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

随着社会经济的快速发展，人们对水文工作提出了更高的要求，现行水文监测方式和水文监测队伍已不能满足水文业务的发展需求与社会服务需求，特别是水文监测技术与管理模式落后、人少事多矛盾突出、设备运行维护困难、测报时效难以保证等问题已经成为制约水文事业可持续发展的重要因素。近年来，科技的迅速发展使得水文监测水平得到了很大的提升，水文监测手段正向以卫星、无人机、雷达、物聯网、移动宽带互联网、云计算及大数据分析技术为核心的空天地一体化智慧水文监测体系转变。LoRa 是一种物联网低功耗广域网络（ LPWAN）技术，具有远距离、低功耗、多节点、低成本等特点，能更好地满足水文监测系统的要求，全面提升水文服务能力。

2 LoRa 技术简介

LoRa 是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，能够将传感器与智能设备组成物联网，为用户提供一种简单的及能实现高性能、远距离、低功耗、大容量的无线传输网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、470、868、915MHz 等[1]。LoRa 技术的优势主要体现在以下几个方面。

2.1传输距离长，功耗低

LoRa 具有较高的接收灵敏度，其无线模块的通信距离可达15km，且其接收电流仅10mA，睡眠电流为200nA，极大地降低了功率，延长了电池的使用寿命。

2.2系统容量大

基于 LoRa 技术的无线传感器网络可容纳多个终端节点，每个网关每天处理的节点之间的通信次数可达上万次[2]。

2.3覆盖范围广

LoRa 网关的覆盖范围广，在20dB（100mW）的发射功率下，在密集的城市覆盖范围为2km 左右，在空旷的郊区覆盖范围可达10km[3]。

综上所述，LoRa 技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性，与 ZigBee，Wi?Fi，Bluetooth 等无线通信技术相比，能更好地满足水文监测系统的要求。 LoRa 技术与其他无线通信技术的性能对比见表1。

3系统方案设计

3.1系统总体设计

3.1.1系统总体结构

基于 LoRa 技术的水文监测系统由感知层、网络层和应用层组成。其中，感知层主要由各类水文监测传感器、LoRa 无线传感器节点、LoRa 网关等组成;网络层主要负责传递和处理感知层发送来的数据信息，主要包括互联网、移动通信网、卫星通信网等;应用层主要是对传输层数据的接入管理、数据存储、处理应用等，主要包括水文数据综合管理、防汛抗旱、水资源管理、水环境保护等水文相关业务应用系统[4]。

基于 LoRa 技术的水文监测系统总体结构如图1所示。

3.1.2无线通信网络组网方式

本文选用结构简单、时延较低的星型结构实现 LoRa 传感器的组网，以满足水文监测网络对远距离、低功耗和大容量传输的需求。基于 LoRa 技术的水文监测系统由终端节点、网关节点和后台服务器三部分组成：终端节点由 MCU 驱动相应的传感器定期采集各种水文信息，并通过 LoRa 无线通信模块将数据远程传输给网关，再由网关将数据传输给后台服务器以便进行分析处理。终端节点和网关节点组成的基于 LoRa 无线通信的传感网络是本文研究的重点。

（1）终端节点：主要负责水位、流量、泥沙、气象、水质等水文监测信息的采集和处理，并将采集的数据通过 LoRa 射频部分远程发送给网关。

（2）网关：主要负责终端节点采集的水文信息的接收和向后转发。在星型网络架构中，其作为透明中继连接前向终端节点和后台服务器。网关和服务器之间可通过以太网或 GPRS，4G/5G 等实现数据通信。

（3）后台服务器：主要从网关处获取终端上报的数据，分析终端节点传感器采集的数据，完成数据应用、状态展示等。

基于 LoRa 技术的水文监测系统网络拓扑图如图2所示。

3.2感知层

感知层主要由测量单元和采集单元组成。测量单元包含水位、降雨量、水质、流量等水文要素测量传感器，用于监测不同区域的实时水文要素。采集单元又可以为两个部分，即一部分连接测量传感器，将其采集的数据向 LoRa 网关节点进行发送，此部分由 LoRa 终端节点实现;另一部分用于融合和汇聚终端节点发送来的监测数据，此部分由 LoRa 网关模块实现。

3.2.1测量单元

水文站测验设备包括雷达式水位计、浮子式水位计、走航式 ADCP、雷达波流量测验系统、翻斗式雨量计、自动气象站、水质监测设备等。

3.2.2采集单元

（1）LoRa 终端节点

LoRa 终端节点将传感器采集的水文数据通过无线射频信号发送至网关。终端节点可内置滤波算法，自动校准，具有低功耗、采集精度高等特点，能够实现雨量、水质、流量、压力、流量、流速、超声波水位等多种信号的采集。此外，终端节点还具有本地存储功能，可以把采集到的数据保存到内置的 Flash 存储器，一旦出现网络故障，可以从本地读取历史数据，保证水文数据的完整性。

（2） LoRa 网关

LoRa 网关是感知层的核心，起着承上启下的作用。其主要功能如下：①实现 LoRa 终端节点的自动协调组网及管理。在系统启动时，网关节点负责对其所属子网进行初始化，确保各终端节点之间以及与其在同一频道工作的其他设备之间的信号不会互相影响，保证该区域子网正常运行。此外，在整个网络启动后，LoRa 网关通过向终端节点定时发送查询命令的方式来检测是否有新的网络节点加入。若有，新节点会自动添加到网络节点列表，并更新路由表。同时，LoRa 网关可获取终端节点的相关信息（包括运行状态、设备属性、电源能量等），能够对子网内的终端节点进行管理，如休眠唤醒、节点控制、故障诊断、升级更新等;②实现不同类型网络之间的协议转换。 LoRa 网关为不同类型的网络搭建桥梁，一方面，其可将感知网络的传输数据格式进行标准化封装，使其能够与其他网络节点进行通信（如 Internet、卫星或移动通信网络等），实现局域网到广域网之间的数据传输;另一方面，LoRa 网关能够将应用层下发的控制指令等进行解析，使其被 LoRa 终端节点识别，实现广域网到局域网设备的控制等。

3.3网络层

网络层是感知层和应用层之间的桥梁，其主要任务是将网关汇聚的数据传输至应用层数据接收处理服务器。可根据传输的数据类型、传输距离等，选择不同的网络传输方式，包括水利专网、GPRS，4G/5G、北斗卫星等。

3.4应用层

应用层的主要任务是完成对网络层传输的数据的接入管理、数据存储，以及将数据分析处理后供用户使用等，其中包括水文数据综合管理、防汛抗旱、水资源管理、水环境保护等相关水文业务应用系统，为监控和决策流域防汛抗旱提供及时、真实、直观的技术支持。应用层可采用大数据汇集、分析、挖掘、管理等技术，通过高性能计算、核心高效算法、海量数据学习和训练相关模型，从海量数据中找寻规律、发现价值，提高智能决策的准确性和稳定性，实现水文监测智慧化。

4应用实例

2018年，在卢沟桥水文站测验基础设施迁建工程中，采用了基于 LoRa 的物联网技术建设水文监测系统，实现水位、流量、降雨等水文信息的实时、准确、高效传输与监测，节约了成本，提升了水文自动化监测水平，能够更好地为海河流域（尤其是北京、天津）的防汛抗旱、水资源管理与保护工作提供及时、有效、准确的水文信息支撑，为实现智慧水文奠定了基础。

5结语

随着水利事业高质量发展以及物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展，作为基础水信息采集与处理的水文部门将迎来新的发展机遇。 LoRa 技术是 LPWAN 通信技术的重要组成部分，是基于扩频技术的超远距离无线传输方案，具有传输距离远、功耗低、組网节点多等优点。将 LoRa 技术应用到水文监测系统中，实现对水文信息的自动采集和传输，扩大了传输范围，降低了传输功耗及传输成本，为水文大数据分析和现代化水文业务应用提供信息支撑，为实现智慧水文奠定了基础。

参考文献：

[1]张肃，赵洪丽，王伟，等.LoRa 嵌入式传感监测终端研究与应用[ J].中国科技投资，2018（30）：219.

[2]林飞振.基于 LoRa 技术的无线温度监控系统设计[ J ].工业计量，2021，31（4）：46?48.

[3]史东华，李然.基于 LoRa 技术的水文遥测数据传输方式研究[J].水利水电快报，2021，42（2）：68?72.

[4]林虹秀，王飞，包桦楠.基于 LoRa 的环境监测系统[ J].电子技术与软件工程，2017（13）：192.

作者简介：

刘卓（1990—），硕士，研究方向：水文信息化。