LPWAN技術在鄂州民信閘重建工程中的研究與應用

劉賢才，年夫喜，姚瑋達，賓貝麗，徐勝平

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計院， 湖北 武漢 430070；2.鄂州市水利建筑設計研究院有限公司， 湖北 鄂州 436000)

LPWAN技術[1]近幾年的發展呈現井噴勢頭，LPWAN能源表計的出貨量早已超過千萬級。在中小型水利工程中，終端設備跨度遠，不方便取電，LPWAN低功耗、廣覆蓋的優勢特點正好滿足需求，但如何利用LPWAN的通信產品來組網，并確保通信效果，在中小型水利工程中還處于探索階段[2]。鄂州民信閘重建工程中，采用LPWAN基站和單元對相關儀器、儀表、設備進行組網，無線通信環境中有樹林、山坡、建筑物等，代表了水利工程中的常見場景，組網模式、運行和測試數據以及優化措施等，對中小型水利工程應用LPWAN有參考意義。

1 方案研究

1.1 LPWAN技術簡介

LPWAN技術近幾年迅猛發展，其低功耗、廣覆蓋、能自組專網的優勢明顯，在很多行業開始廣泛采用[3-5]。其與目前市場上幾種常見的無線技術對比見表1。

從表1可以看出，LPWAN技術的通信距離和功耗兩項指標比較理想：

表1 無線傳輸技術對比表

(1) 降低建設成本。各類終端設備的通信端口與LPWAN模塊連接，由此大大降低線纜、光纖主機、交換機等材料和設備成本，還降低施工成本。

(2) 便于運營維護。采用LPWAN技術，消除了線纜意外斷開而通信中斷的隱患；排查故障只需要從終端設備、通信模塊兩方面入手，省去了長距離排查線纜的工作量；終端設備的移動和擴容也都比較方便。

(3) 便于搭建統一的信息化平臺。采用LPWAN技術，可以將各個終端設備快速、便捷的組成同一個系統，避免多個后臺形成的信息孤島，運營管理更加統一高效。

LPWAN的短板是收發速率低，但中小型水利工程中，絕大多數終端設備的通信速率本身就很低，兩者正好匹配。LPWAN門類下的細分有幾種技術，其中以LoRa、NB-IoT、Cat.1為主。三者對比，Cat.1目前剛剛起步，NB-IoT也只處于初期階段，兩者都依賴公網通信，而大部分地區的公網基站還沒有部署Cat.1、NB-IoT，此外中小型水利工程一般地處偏遠，公網基站信號質量難以保證；LoRa屬于點對點通信技術，不依賴公網基站，靈活性更好，此外LoRa起步早一些，上下游產業鏈已經比較成熟。因此，論文重點研究以LoRa為主、其它無線通信技術為輔的LPWAN組網系統[6]。

1.2 技術路線

1.2.1 LPWAN終端設備比選

第1類：高速率、收發延時短、大型機電設備等，必須采用有線連接。如視頻攝像頭、對講機、大型電動機。

第2類：除開第1類，水利工程中大多數終端設備均可以采用LPWAN通信，其特性如下：

(1) 數據收發允許有一定延時的(0.5 s～5.0 s)。

(2) 機構動作延時允許有一定延時的(0.5 s～5.0 s)。

(3) 收發數據是低速率的(30 kbps以下)。

(4) 數據收發頻率不頻繁的(幾秒至幾小時一次)。

中小型水利工程中的大多數終端設備也屬于第2類，如水位計、壓力計、流量計、雨量計、溫濕度計、振弦類安全監測儀、機電設備溫度儀等，均可采用LPWAN連接；此外，中小型的閘門、閥門，啟降、開關延時要求不高的，也可以接入LPWAN網[7]。

1.2.2 組網系統比選

點對點通信：LPWAN最簡單最基本的通信方式，一發一收。

星形組網：以LPWAN基站為中心，與周邊LoRa單元組網。星形組網是最普遍模式，這其中，如果是“廣播”通信，對發送時段沒要求；如果是“周邊對中心”通信，則各終端要分時段發送，以避免數據沖突。

橋式連接：在一些狹長的場景下，從起點到終點可能長達幾千米，可以采取A連B，B連C……的橋式連接。這種連接的延時會有增加很多，基站或節點數不宜超過3個。

網關通信：LPWAN基站接收到周邊LoRa單元數據，轉變協議后與公網進行通信。

混合組網：上述幾種組網方式靈活搭配，混合組網[8-9]。

2 方案實施

2.1 總體方案設計

根據民信閘項目的實際情況，以及LPWAN技術的普遍使用意義[10-11]，對LPWAN通信組網方案的設計為：對水閘監測終端設備上安裝LPWAN通信單元，建設LPWAN基站，以星形方式連接組網，基站匯總各終端的數據后通過NB-IoT/4G網關發送到云平臺。方案架構示意圖見圖1。

圖1 民信閘LPWAN通信組網方案

從圖1可見，方案的終端層是各類儀器、儀表、設備，如壓力表、流量計、雨量計、水位計、水質儀、安全監測傳感器、閘門、泵、電動閥門等。這些終端大多是RS485或RS232輸出，可以直接與LPWAN設備連接；有些終端是4 mA～20 mA或其它輸出信號，可通過信號轉換模塊來變送后連接。

方案的中間層是通信層，主要包括LPWAN基站和LoRa單元。一個LoRa單元可以連接1個至幾個終端，基站匯總周邊LoRa單元的數據，組成自管專網。基站覆蓋半徑一般在1 km，根據阻擋場景不同有較大變化。LPWAN基站可以直接與公網基站連接(民信閘是這種)，也可以橋式連接后與本地后臺通信，還可以把橋接連接末端的基站與公網基站連接，通過遠程后臺進行數據收發。

方案的頂層是后臺系統，有本地后臺、遠程后臺(含手機后臺)、服務器。后臺軟件開發屬于常規技術，可以在組態軟件基礎上做工程，具有數據的存儲、列表顯示和曲線圖顯示功能，可以分析、計算、報警。對于遠程后臺服務器，考慮到其成本較高，中小型水利工程自建服務器意義不大，而目前國內云服務器性能均達到要求，租用費用也不是很高，所以可以采用租云服務器方式。對于手機后臺，前幾年的潮流是開發APP，功能比較強大，但開發成本高；近兩年開始微信小程序發展成熟，功能有監測、操作、報警，能達到基本需求；微信小程序開發簡單，使用方便，預計未來將占據主流[12]。

2.2 實施

2.2.1 終端設備的連接

根據民信閘的工程總體情況，連接的終端包括：超聲波水位計、溫濕度計、水質監測儀(pH計)、機電設備溫度儀、安全監測儀等。由于工程總體施工周期長，當前具備接入LPWAN條件的是超聲波水位計、溫濕度計、pH計，而機電設備溫度儀、振弦安全監測儀的數據只能做測試接入，待工程全部竣工后再正式接入。具體部署安裝上，水位計固定在閘站上，溫度儀和安全監測儀放置在控制室，溫濕度計、pH計采用移動式，部署在閘站周邊幾百米的不同地點，可以移動到各個有代表性的場景點(如無阻擋、樹林阻擋、山坡阻擋、建筑物阻擋)，以測試LPWAN組網通信的穩定性[13-14]。

2.2.2 LPWAN基站、LPWAN單元

LPWAN基站的設備箱內有LoRa模塊、NB-IoT/4G模塊、分線器、電源模塊、防雷模塊等。基站覆蓋半徑理論上可以達到5 km，但按實際場景預估為2 km，由于民信閘區域不大，建設一個LPWAN基站即可以覆蓋相關到LPWAN單元。基站設備箱內的LoRa模塊發射功率20 dBm(0.1 W)、靈敏度-138 dBm、通信頻段470 MHz，休眠電流1 mA/DC 12 V，收發瞬時電流30 mA/DC 12 V[15]；該模塊輸出的信號進分線器，分線器分出2路輸出，1路進入本地后臺系統，另外1路供現場檢測用，也可以通過網關進入遠程后臺。電源模塊將220交直流電變成各模塊工作電壓(一般直流12 V)，或者對風光供電系統的電壓進行控制后輸出。防雷模塊對一般的雷擊和浪涌進行保護。基站設備箱采用戶外防雨型，設備箱有空氣自對流散熱功能，以確保箱內溫濕度處于合適區間。基站采用抱箍固定于立桿上。基站整套裝置采用18 V/100 W太陽能電池板、12 V/60 AH蓄電池的供電系統，可以滿足連續運行的供電要求；該供電配置使用在長江中下游地區，其它地區使用可對比全年日照時間，調整配置太陽能電池板、蓄電池大小。

LPWAN單元的設備箱內有LoRa模塊、信號轉換模塊、電源模塊、防雷模塊等。LoRa模塊型號選擇和基站一樣的，參數配置除了ID外與基站的基本相同。一個專網內的每個LoRa模塊的ID是唯一的，ID編號一般間隔10個以上，便于以后擴容。終端設備如果是RS485輸出，可以直連LoRa模塊，溫濕度、4 mA～20 mA、0 V～5 V等信號接入后經過轉換模塊變為RS485再連LoRa模塊。1個單元連接的終端設備的數量不宜超過8個，一個LPWAN基站的節點容量(LPWAN單元數量)1 000個以內為宜。LPWAN單元可以利用終端設備的電源來供電，或者采用比基站更小的太陽能供電系統。

2.2.3 LPWAN一體式模塊

前文所述，LPWAN單元通過遠程后臺控制，平均功耗還是較高，無法實現內置電池長期供電運行，與LPWAN技術的初衷還有一定差距。近兩、三年開始，能源表計、溫濕度計、壓力表等終端將LPWAN模組內嵌，采用“深度休眠、定時喚醒發送”的模式運行，功耗大幅度降低，兩節普通電池可以運行3 a以上。但水利相關的大多數終端還沒有實現LPWAN模組內嵌，從理論上看并沒有難點，只需將終端模組與LPWAN模組結合，相信以后陸續有水位、流量、雨情、安全監測傳感器等各類終端內嵌LPWAN模組，成為一體式模塊，真正實現在遠距離、低功耗運行。

2.2.4 LPWAN監測后臺軟件

開發LPWAN監測后臺軟件。后臺軟件在組態軟件基礎上編輯工程，具有存儲、顯示、控制、設置、分析、報警等功能，軟件可以安裝在本地電腦上，也可以安裝在云服務器上。

3 效果分析

民信閘的5個LPWAN單元總共連接9個終端設備，分別是1個水位計、2個溫濕度計、1個水質pH監測儀、1臺振弦安全監測儀、4個機電設備溫度儀，單元每隔1 min向基站發送1次數據(每個單元間隔)，隨機抽選24 h運行和測試情況見表2。

表2 運行和測試效果統計表

從表2可以發現：LPWAN組網在短距離(500 m內)，如果有小樹林、圍墻等阻擋，信號會受到影響，數據收發成功率在97%左右；如果阻擋物比較密集、體積大，信號會進一步降低；但收發地點即使距離中遠(1 km左右)，只要可以對視，數據收發成功率仍舊能達到100%。數據表明，水利工程中LPWAN組網在基站與單元能對視的場景下，可以按照間距1 km以上部署，如無法對視，遮擋物會對通信質量造成較大影響，丟包率會大幅增加[16]；為了確保通信良好，LPWAN基站和單元應選擇合理的部署地點，基站的立桿盡量架高，以實現收發對視或減少阻擋來確保通信穩定性。

4 結論和展望

LPWAN技術和產品在民信閘中的應用研究發現，水利工程中大多數終端設備均可以采用LPWAN組網，LPWAN基站和單元在裝配上需考慮通信接口、太陽能供電等，LPWAN模組嵌入終端設備組合成一體式模塊理論上可行。在水利工程常見場景下部署LPWAN，對視1 km、小樹林等阻擋0.5 km通信問題不大，但如果阻擋物更密集則難以保證通信質量，因此，LPWAN組網時應將基站盡量架高一些。LPWAN技術在鄂州市民信閘中的應用對該技術在中小型水利工程中推廣應用具有實際參照意義。