基于LoRaWAN的大壩和巖土工程安全監測系統

江 修 張紹飛 饒少鋒 侯新華 沈省三

(基康儀器股份有限公司，北京 100080)

0 引言

在大壩和巖土工程結構安全監測領域，通過對壩體的變形、滲流、應力應變及溫度、環境量和圖像的監測，評估和保證大壩的運行安全[1]。

傳統的大壩結構安全監測，按照工程建設的時間順序分為三個階段，分別為施工期、初次蓄水期和運行期的監測。在施工期，傳感器根據工程進度，陸續埋入大壩等建筑物，監測以人工為主，通過讀數儀讀數的方式進行。在初次蓄水期，由于監測站附屬設施沒有完全竣工，可以實現半自動化的監測。在運行期，才能組建自動化的監測系統，實現自動化監測[2-3]。

傳統的大壩結構安全監測系統由各類傳感器、數據采集裝置和數據匯聚中心組成。位于一定范圍內的多只傳感器通過拉長電纜的方式集中到數據采集裝置進行測量，然后通過通信設備以有線或無線的通信方式把傳感器測量數據傳送到數據采集計算機或遠程數據中心。這類監測系統具有如下特點：

(1)施工期、初次蓄水期和運行期采用不同的監測方式，從人工、半自動化逐步過渡到自動化監測，特別是施工期不能實現自動化監測，需要耗費大量的人力和物力；

(2)大量傳感器分散安裝在大壩不同的安裝區域，傳感器通過電纜連接到數據采集裝置，需要消耗大量電纜，材料成本高，施工難度大，人力成本高；

(3)數據采集裝置需要兼顧接入的所有傳感器的監測原理、監測頻次的要求，由于各部分功耗不平衡，采集裝置總體功耗大。

因此，迫切需要一種新技術，解決現有的大壩和巖土工程監測系統中存在的施工期安全監測自動化和施工成本高等問題。

1 系統架構

LoRa是一種長距離、低功耗的無線通信技術，它是Long Range(長距離)的簡稱。LoRaWAN(LoRa Wide Area Network，LoRa廣域網)是基于LoRa的低功耗廣域網，它主要包括通信協議和體系結構[4-5]。LoRa Alliance(LoRa聯盟)是一個開放、非贏利和快速增長的組織，負責制定LoRaWAN標準和執行認證，實現聯盟內的產品相互兼容和互聯互通，提供一個低功耗、可擴展、高服務質量、安全的長距離無線網絡。LoRaWAN主要包括三個層次的通信實體：LoRa終端(End Nodes)、LoRa網關(Gateway)和LoRa服務器(Network Server)。LoRaWAN的基本框架如圖1所示。

圖1 LoRaWAN的基本框架

基于LoRaWAN的基本框架，研究提出了一套基于LoRaWAN的用于大壩和巖土工程安全監測的系統解決方案，系統組成框圖如圖2所示。

該系統由云終端、網關和云平臺組成。云終端由傳感器、數據采集和無線通信等部分組成；網關是云終端和云平臺交互的中繼，通過有線或無線的方式把數據送給云平臺。云平臺包括一系列的服務器，包括傳感器數據的存儲、查詢和展示。

2 云終端

根據大壩和巖土工程監測傳感器的類型，云終端可接入振弦式、差阻式、電位器式和標準的電壓量/電流量等傳感器；根據云終端接入傳感器的數量，云終端可分為單通道和六通道；單通道和六通道的云終端外形如圖3所示。根據云終端接入傳感器的方式，可劃分為分體式云終端和一體化云終端兩類。分體式云終端的云終端和傳感器之間通過一段電纜連接，一體化云終端的云終端和傳感器集成在一起。

圖3 單通道和六通道的云終端

云終端的內部組成單元如圖4所示。包括傳感單元、智能計算單元和接口單元三部分。傳感單元是傳感器的敏感元件，把待測物理量轉換為電信號；智能計算單元包括信號調理、數據處理和數據存儲單元；信號調理部分處理傳感單元的電信號，并進行后續的數據處理和數據存儲；接口單元提供云終端和本地、遠程的通信接口，接口單元包含遵守LoRaWAN規范的遠程通信模組和本地藍牙通信模組。

根據云終端的內部組成，為實現上述功能，云終端的硬件電路設計包括如下功能模塊：主控CPU采用低功耗MSP430系列單片機；供電與電池電量監測模塊實現對電路的供電和電量的監測；LoRaWAN通信模組為云終端的遠程通信接口，負責云終端通過網關與云平臺的交互；藍牙模塊為云終端與本地設備的通信接口，在現場安裝時，用于對設備的配置和現場讀數；實時時鐘為云終端提供時鐘，平臺可以對云終端實時時鐘進行校時；存儲器存儲云終端有關傳感器的配置信息和測量數據；磁按鍵在云終端殼體密封的情況下，可以實現云終端的喚醒和按鍵操作；調試串口用于工廠調試；傳感器信號處理模塊處理不同的傳感器信號，云終端接入不同的傳感器，則采用不同的信號處理模塊。云終端硬件電路組成如圖5所示。

圖5 云終端硬件電路組成

為解決云終端安裝時的現場讀數和對傳感器的配置，開發了手機APP，手機APP讀數界面見圖6。在手機APP上可以完成下列工作：

圖6 手機APP讀數界面

(1)現場安裝時的讀數(實時測量)；

(2)傳感器相關的配置(如接入振弦式傳感器，配置頻段；如接入RS485傳感器，配置地址和上電穩定時間等)；

(3)采集策略配置，如測量上報頻次、上報閾值、加密策略等；

(4)讀取終端信息：如終端型號、固件版本、狀態信息(如電池電壓、溫度等)；

(5)導入設備自記數據并存儲到手機；

(6)終端實時時鐘的校時。

由于云終端電池供電，為使平臺及時了解云終端的工作狀態，云終端設計了測量電池電壓、電路板工作溫度等反映云終端工作狀態的電路。云終端采用定時上報或平臺主動獲取的方式，了解云終端的工作情況。

3 網關

LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構。在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明傳輸的中繼，是連接云終端和LoRa服務器的網絡關口，它連接終端設備和后端LoRa服務器。網關與服務器間通過標準IP連接，終端設備采用單跳與一個或多個網關通信。所有的終端設備與網關間均是雙向通信。

網關的硬件組成如圖7所示。網關以ARM板為核心，通過SPI與射頻芯片SX1301連接，SX1301與射頻通道相連接。網關具有LTE接口，作為與遠程服務器的無線連接通道；網關具有POE接口，作為網關備用供電和網絡接口，可作為與遠程服務器的有線連接通道。

圖7 網關硬件組成

4 云平臺

云平臺即LPWAN Server，組成如圖8所示。由一系列的服務器組成，包括NS(Network Server，網絡服務器)、AS(Application Server，應用服務器)、NC(Network Controller，網絡控制服務器)和CS(Customer Server，客戶服務器)。

圖8 云平臺的組成

網絡服務器NS可以連接1個或多個網關，也可以連接1個或多個AS和NC；NS記錄每個云終端的信息，檢驗來自于云終端的RF數據的合法性和封裝下行RF數據包；

應用服務器AS可以連接1個或多個NS和CS。AS負責RF數據包的應用數據加密和解密，AS記錄每個云終端的信息。

網絡控制服務器NC可以連接1個或多個NS。NC負責控制RF(Radio Frequency)參數，云終端的通信速率/發射功率/選擇最佳網關通信由它控制。

客戶服務器CS可以連接1個或多個AS。CS是用戶自定義的服務器，除了接口協議外，它具備高度的靈活性，實現數據存儲和數據展示。

客戶服務器包括平臺服務模塊、數據采集模塊、數據共享模塊、通用展示模塊、數據預警模塊等。

(1)平臺服務模塊：實現用戶運營管理功能，實現用戶的注冊、用戶組、用戶關系管理、用戶權限管理、系統升級維護功能；

(2)數據采集模塊：實現用戶設備的快速接入，設備協議解析，海量數據收集處理，分布式存儲，數據的驗證、清洗、透傳、轉發，與設備的基礎通訊功能；

(3)數據共享模塊：數據的發布權限管理、數據推送管理、數據查詢接口；

(4)通用展示模塊：數據合成、分析、整編功能，設備狀態實時監控，設備遠程控制，數據圖表形式顯示；

(5)數據預警模塊：預警信息采集、預警信息管理、預警信息發布、預警系統配置管理、預警信息數據接口管理等。

5 應用實例

基于LoRaWAN的解決方案適用于傳感器分散布置的情況，在儀器安裝初期優越性明顯。尤其適合在大壩基坑開挖期、填筑期等施工過程中的監測，從基坑開挖開始就可以形成監測自動化布局，并且只需在壩體兩端的壩肩處各設置1臺網關，即可實現大壩基坑以及邊坡危巖監測與治理等整個施工區域電纜敷設至表面的監測儀器的數據采集。

某水庫的大壩滲壓監測項目，滲壓監測點分散布置在大壩的上下游，監測點現場不具備供電條件，因此采用了LoRaWAN的系統解決方案。項目共安裝2臺網關和82個云終端，所用的云終端分為兩種，分別是單通道/六通道的振弦式云終端，測量滲壓/溫度等物理量。

云平臺提供網關收集的傳感器數據匯聚，并進行傳感器的數據存儲、查詢和展示。另外，數據匯聚中心還向網關提供下行的配置和命令。云平臺登陸如圖9所示。

圖9 云平臺登陸

云終端設備管理界面如圖10所示。該管理界面提供云終端的在線狀態/無線信號質量/設備狀態信息。在線狀態提示該終端當前是否在線，最后一次報數或設備狀態的時刻；無線信號質量包含終端所在位置的接收信號強度和信噪比；設備狀態信息包含電池電壓/電池剩余容量/電池溫度等參數。平臺根據在線狀態/無線信號質量/設備狀態等信息綜合判斷云終端的設備狀態。

圖10 云終端設備狀態

云平臺提供云終端上報的監測物理量的過程曲線/分布圖/相關圖/三維圖等展示界面，圖11為監測物理量之溫度過程曲線。

該項目2017年底實施，經測算，項目減少壩面電纜溝開挖及恢復、電纜埋設等施工工作量80%，減少使用電纜1.2×104m，整體減少項目成本25%以上。該系統上線運行2年多來，設備數據上報完整率95%以上，維護方便，取得了較好的應用效果。

6 結論

針對傳統的大壩和巖土工程安全監測系統存在的問題，提出了一種基于LoRaWAN的大壩和巖土工程安全監測系統的無線通信系統解決方案，該無線通信系統由云終端、網關和云平臺組成。云終端和網關之間采用低功耗、長距離的LoRa無線通信技術，很好地解決了終端的低功耗遠傳技術瓶頸，特別適合于大壩和巖土工程監測的低頻次、單次小數據量傳送的場合。該解決方案：

(1)降低了監測工程的材料成本和施工成本：由于傳感器附近就近部署云終端，改變了原有技術中傳感器和采集裝置之間通過拉電纜的方式集中到數據采集裝置，需要增加大量的電纜和工程預算的不足，降低了監測工程的材料和施工成本。

(2)為大壩和巖土工程的施工期安全監測提供了一個可行的解決方案：由于云終端在傳感器附近的部署方式和低功耗無線數據傳輸，使大壩和巖土工程的施工期自動化監測成為可能，改變了原有技術條件下的施工期無法拉電纜集中和數據采集裝置在施工期無法供電的問題。

(3)改善電池供電方式后，可直接應用于運行期的安全監測。

項目提出的解決方案，已經應用于包括國家某大型工程在內的10多個項目的安全監測中，部分項目持續穩定運行已達兩年，取得了較好的應用效果。