謝長江， 梁永榮， 林艷燕

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004; 2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210012; 3.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012)

0 引 言

我國從20世紀90年代開始投入運行水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，相關部門也深刻認識到水庫大壩安全監(jiān)測是直接影響水利工程功能與作用的重要因素，近年來對許多水庫大壩進行了自動化升級改造。水庫大壩安全自動化監(jiān)測是指在水庫大壩原型中設置對應的觀測儀器，通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)來展開現(xiàn)場測量獲取到相關的數(shù)據(jù)判斷和分析大壩結構的變化[1]。研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)存在以下問題：①有線布線成本高、功耗大和可擴展性弱；②偏遠測點無人值守；③廊道監(jiān)測設備處于復雜密閉環(huán)境，傳統(tǒng)無線傳輸距離短、信號穿透力不強和系統(tǒng)數(shù)據(jù)運行不穩(wěn)定。

LoRa具有長距離傳輸、穿透能力強、抗干擾能力強和超低電流功耗等優(yōu)點[2]。本文提出一種基于LoRa的水庫大壩智能安全監(jiān)測系統(tǒng)的技術方法，實現(xiàn)水庫大壩安全智能監(jiān)測，數(shù)據(jù)穩(wěn)定高效傳輸，能幫助管理人員做出準確和快速的災情預警預報。

1 系統(tǒng)結構與原理

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的分層技術[3]，水庫大壩智能安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構分為感知層、傳輸層、平臺層和應用層。具體由集成LoRa模塊的智能監(jiān)測終端、LoRa與4G透傳功能的低功耗中繼網(wǎng)關、云平臺和PC端組成，如圖1所示。

圖1 水庫大壩智能安全監(jiān)測系統(tǒng)

智能監(jiān)測終端主要包括對環(huán)境量、變形、滲流、應力應變和視頻等多項目監(jiān)測以及集成LoRa通信模塊；LoRa中繼網(wǎng)關通過基站為感知層和平臺層之間建立“橋梁”，即與LoRa通信鏈接，匯集各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過4G上聯(lián)方式將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺；平臺層接收監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)存儲、分析、處理、顯示以及報警；應用層實現(xiàn)使用計算機實時查看數(shù)據(jù)。

2 硬件設計

2.1 智能監(jiān)測終端

2.1.1 LoRa模塊設計

LoRa屬于LPWAN通信技術[4]，是基于1 GHz以下的超長距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術。主要的特點有：①遠距離，通信距離最大可以達到20 km；②低功耗，電池使用壽命可以達到5年～10年；③低速率，傳輸速率較低，最高僅為數(shù)百kbps。

無線模塊采用SX1278器件，利用高擴頻因子，將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍無線電頻譜傳輸出去。主要運行在137 433～525 433 MHz免費頻段，包括433 MHz，接收靈敏度可達到-148 dBm，在空曠地區(qū)覆蓋范圍可到達15 km，建筑物之間可以達到3 km以上。具體原理如圖2所示。

圖2中:L1與C3組成了串聯(lián)諧振電路;L2與C10、L2與C11組成了兩組并聯(lián)諧振電路。數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理可以減輕外界高頻信號對其干擾，降低信噪比,并可以根據(jù)不同的通信頻率調(diào)整元件的參數(shù)，以達到最佳發(fā)射狀態(tài)。

圖2 SX 1278通信原理圖

2.1.2 智能監(jiān)測終端設計

智能監(jiān)測終端包含優(yōu)化集成傳感器、采集儀、LoRa無線通信模塊和供電系統(tǒng)，主要負責水庫大壩現(xiàn)場各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集工作，硬件結構如圖3所示。除視頻監(jiān)控采用市電供電外，其他都采用鋰電池供電，MCU采用ARM LPC 1788處理器，搭載LoRa通信模塊。LPC 1788是一款針對各種高級通信和高質量圖像顯示等應用場合的、高集成度的微控制器。外設組件包括512 kB Flash存儲器、4 kB的EEROM存儲器、5個UART、3個I2C接口、一個8通道12位ADC以及多達165個通用I/O管腳等。LPC 1788芯片集成了豐富的片內(nèi)外設，通過對相應的寄存器寫入控制字，便可以將內(nèi)部資源靈活配置到GPIO端口上，很好地滿足了多要素監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

圖3 智能監(jiān)測終端結構圖

智能監(jiān)測終端能實時采集和控制地表變形、內(nèi)部變形、浸潤線(滲流滲壓)、滲漏量、雨量、庫水位、流量、氣溫、水溫以及視頻圖像等數(shù)據(jù)。由于水庫大壩安全監(jiān)測多為靜態(tài)監(jiān)測，對測量頻度要求不是很高，為達到省電使用時間最大化的目標，智能監(jiān)測終端默認采用定時測量自報的工作方式。采用14.4 V/19 000 mAh一次性鋰電池供電，在無需外界供電的情況下可以穩(wěn)定運行1年，完全可以確保雨季、汛期的測報工作的順利完成。而當發(fā)生突發(fā)事件時，終端進入工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，通過LoRa無線傳輸匯集到LoRa中繼網(wǎng)關，并以報文的形式存在EEROM中。

2.2 智能網(wǎng)關

水庫大壩監(jiān)測點分散、數(shù)量多。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，自動化監(jiān)測系統(tǒng)需要較低的功耗、較大的并發(fā)傳輸量以解決超大覆蓋半徑和復雜環(huán)境或野外環(huán)境建網(wǎng)難的問題。本文選用銳捷網(wǎng)絡的RG-IBS6120(E)作為LoRa中繼網(wǎng)關，它是面向全行場景的基于LoRa廣域物聯(lián)網(wǎng)通信的低功耗基站，支持標準的LoRaWAN協(xié)議，充分兼容LoRa無線通信模組接入。

RG-IBS6120(E)中繼網(wǎng)關主要有長距離覆蓋、多終端接入、高并發(fā)、網(wǎng)絡安全和射頻控制等重要特點，可支持在470～510 MHz頻段內(nèi)工作，也可支持4G傳輸?shù)纳下?lián)方式，主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 RG-IBS6120(E)中繼網(wǎng)關技術參數(shù)

RG-IBS 6120(E)采用星形傳輸結構，針對不同的智能監(jiān)測終端采用跳頻機制，通過探測射頻環(huán)境進行自適應算法，選擇不同的通信信道(470～510 MHz共320個可選)，負責指令的下達，數(shù)據(jù)的接收與上傳，以及系統(tǒng)的檢測和管理等功能。通過下行鏈路接收區(qū)域內(nèi)LoRa監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)，上行鏈路鏈接4G網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)上傳到水庫大壩安全監(jiān)測云平臺，同時下發(fā)采集與控制命令到任意LoRa監(jiān)測終端，如圖4所示。

圖4 RG-IBS 6120(E)工作示意圖

3 軟件設計

水庫大壩現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境較惡劣，在供電與通信條件差的情況下，智能監(jiān)測終端平時處于休眠狀態(tài)低功耗模式運行，只有當定時喚醒或發(fā)生突發(fā)事件時才處于工作狀態(tài)。除了硬件降低功耗，還設計低功耗軟件，包含了主動循環(huán)召測和閾值觸發(fā)兩種工作模式。

3.1 主動循環(huán)召測工作模式

主動循環(huán)召測工作模式是每個監(jiān)測終端都設置好固定監(jiān)測站號，RG-IBS 6120(E)發(fā)送召測命令即發(fā)送喚醒信號，智能終端響應命令進入工作模式，按照終端序號將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關成功接收數(shù)據(jù)后再向終端發(fā)送休眠信號。例如16個測站早上8∶00按照終端序號順序發(fā)送實時數(shù)據(jù)，流程如圖5所示。

圖5 主動循環(huán)召測流程圖

3.2 閾值觸發(fā)工作模式

該模式主要應用在重點監(jiān)測區(qū)域，便于預警預報。智能監(jiān)測終端處于實時監(jiān)聽狀態(tài)，LoRa模塊處于空閑狀態(tài)，當多種監(jiān)聽數(shù)據(jù)中的一種數(shù)據(jù)發(fā)生突變超過預設的閾值，立即激活通信模塊，將此突變數(shù)據(jù)通過LoRa和4G廣域網(wǎng)傳輸?shù)竭h程云平臺。

圖6以環(huán)境量監(jiān)測中的溫度為例，智能終端監(jiān)測環(huán)境溫度是否超閾值，超過閾值繼續(xù)判斷是否超過加報周期，超過則通過LoRa通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，通過RG-IBS 6120(E)中繼網(wǎng)關解析命令。RG-IBS 6120(E)下行發(fā)送實時監(jiān)測命令，對應監(jiān)測終端立即響應；上行發(fā)送預警命令，通過4G網(wǎng)絡傳輸至云平臺，提醒工作人員及時采取措施。

圖6 閾值觸發(fā)工作流程圖

4 工程應用

水庫大壩常規(guī)監(jiān)測安裝埋設監(jiān)測儀器幾十到幾百件不等，測點分布十幾到幾十公里[5]。為驗證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，本文選擇環(huán)境量監(jiān)測中的環(huán)境溫度為監(jiān)測對象，監(jiān)測點分別分布在拱壩壩基、引水洞和發(fā)電廠房三處，分析不同測點的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和2019年實時數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

4.1 不同測點數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

2019年6月18日10∶00—11∶00對拱壩壩基、引水洞口和發(fā)電廠房外三處進行溫度比對試驗，結果如表2所示。三測點的接收溫度與發(fā)送溫度一致，接收數(shù)據(jù)條數(shù)與發(fā)送條數(shù)一致，數(shù)據(jù)接收完成率為100%，說明該系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

表2 不同測點環(huán)境溫度值表

4.2 年度數(shù)據(jù)連續(xù)性

統(tǒng)計2019年某大壩的實時氣溫值以驗證該系統(tǒng)的可行性。

從本年度氣溫最值統(tǒng)計表3和時序曲線圖7可以看出，該智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠連續(xù)實時反映監(jiān)測數(shù)據(jù)，年最高氣溫出現(xiàn)在7—8月，最高氣溫為39 ℃。年最低氣溫出現(xiàn)在1月，最低氣溫為0 ℃。年平均氣溫為19.5 ℃，符合該庫區(qū)的溫度變化。

表3 庫區(qū)實時氣溫最值統(tǒng)計表

圖7 2019年實時氣溫時序曲線圖

5 結束語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能”“5G”時代應運而生的背景下，水庫大壩安全監(jiān)測也應適應新常態(tài)。本文引入一種具有遠距離、低功耗和海量接入的LoRa新型網(wǎng)絡技術，該技術是全新的物聯(lián)網(wǎng)“最后1公里”接入方案，具有傳輸距離遠、信號穿透力強等優(yōu)點，同時選址靈活，十分吻合水庫大壩安全監(jiān)測的特殊性。通過智能監(jiān)測終端，低功耗中繼網(wǎng)關和云平臺的組合，可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和系統(tǒng)的可行性，具有很好的應用價值。