基于LoRa的城市内涝监测预警系统

胡春杰，杨 溯，刘 峰

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；3.河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098）

城市排水防涝和防洪减灾建设的重要性，已经受到各地防汛部门的高度关注，城市内涝监测是城市防洪减灾的关键。考虑到城市内涝数据采集范围广、监测点分散、信号的稳定性，同时也要考虑到传输功耗、模块成本，本文设计了一种利用LoRa 的城市内涝监测预警系统，该系统不仅满足城市内涝监测的低功耗与广覆盖2 个方面需求，而且也具有非常重要的实用意义与防洪工作指导意义，具有良好的推广价值和经济效益。

1 技术选取

城市内涝监测区域周围障碍物多，数据传输时需要一种穿透能力强、远距离、性价比高的无线传输技术。

无线电波衰减公式：

式中：Lfs为电磁波损耗；d为通信距离；f为发射频率。从式（1）可知，在无线电波传输距离一定时，高频信号传输损耗更大［1］。

从表1 可得，WiFi，Bluetooth，ZigBee 等通信技术通信频段为2.4 GHz，传输损耗大，不宜远距离传输，而NB-LoT 使用频段范围较多，但其中1 GHz 以下频段需要授权，穿越障碍物能力弱，无法自建网络。LoRa技术成熟、无需授权、协议公开且简单，功耗极低；自建网络成本低且不局限于运营商信号，非常适用于通信环境较差的应用场景［2-3］，因此本系统采用LoRa 通信技术作为采集节点与网关节点间的数据传输方式。

表1 几种无线技术比较

2 系统框架设计

本系统设计主要由水雨情采集节点、网关节点、中心站3个部分组成，如图1所示。水雨情采集节点定时采集水雨情数据发送到无线网关，网关节点再将数据通过GPRS通信模块将数据传输到中心站，中心服务器解析无线网关上传的水雨情数据并存储到本地数据库中，显示终端用于查看采集的数据，及时做出防汛减灾决策。

图1 系统框架

3 硬件设计

3.1 数据采集

数据采集节点包含各种传感器、STM32、太阳能供电模块、LoRa通信模块，结构框图如图2所示。

图2 数据采集节点结构

传感器模块包含水位传感器和雨量传感器。其中，水位传感器采用RS485 接口与微控制通信，采用差分信号、半双工方式传输信号，差分信号转换为逻辑信号，然后由微控制器接收处理，硬件连接图如图3 所示。雨量传感器采用国产JDZ05-1型［4］，其分辨力为0.5mm，雨强范围在0～4mm/min，硬件连接图如图4所示。

图3 水位传感器硬件设计

图4 雨量传感器硬件设计

LoRa 通信模块采用宏电H6820 LoRa 模块，支持433/470/490 等Sub-GHz 频段，采用工业级32 位处理器和射频模块。

数据采集节点中将LoRa 模块设置成终端模式，与微控制器通过串口进行连接，硬件连接实现如图5所示。

图5 微控制器与LoRa模块连接

3.2 网关节点

网关节点由微控制器、太阳能供电模块、LoRa通信模块及GPRS 模块组成，是数据采集节点和中心站之间的桥梁。结构框图如图6所示。网关节点主要包括2个方面的功能：（1）负责水雨情数据采集节点信息的接收并将其转发至中心站；（2）负责接收中心站的指令并将其下达至数据采集节点。

图6 网关节点结构框

微控制器采用搭载三星S3C2440A 的Mini2440开发板，板载64M SDRAM、128M 的闪存，百兆网卡接口、USB 接口及JTAG 调试等接口，拥有强大的扩展能力。GPRS模块型号为宏电H7718，该模块能在各种恶劣环境下稳定运行，常用于水文气象行业、智能交通等领域，具体连接如图7所示。

图7 GPRS模块连接

4 软件设计

数据采集节点主要功能是采集城市内水雨情数据，加入LoRa 网络和通过LoRa 通信模块发送数据至网关［5-6］。

采集节点采集数据之后会向网关发送请求，收到LoRa网关的建立连接指令后与网关建立连接，如果收到网关回复，LoRa通信模块将水雨情数据传送至LoRa 网关节点，然后进入待机状态；如果没有收到网关回复，本次数据采集不成功，采集节点直接进入待机状态，等待下次唤醒，继续采集数据。

网关节点的主要功能是管理LoRa 无线通信网络、收集节点数据通过GPRS 模块转发至远程服务器［7］。

5 中心站设计

城市内涝监测平台主要负责接收不同地区采集节点的各种水雨情数据，并对数据进行存储解析，还可以设置水雨情数据的阀值并发出实时报警。平台以SQL Server 2012 作为后台数据库，采用Microsoft Visual Studio 2010 为开发软件，利用C#语言的三层架构体系［8-9］，开发了一套城市内涝监测平台。监测平台软件界面简洁友好、操作简便，可实时查询城市各个监测站点水雨情信息，为科学指导防讯减灾提供准确数据与技术支撑。

6 结 语

本文在城市内涝监测预警系统现状的基础上，设计了一种基于LoRa的城市内涝监测预警系统，利用雨量传感器、水位传感器等多种传感器采集数据，通过LoRa 通信模块上传至网关，网关汇集数据后再经GPRS 模块传输到中心站，实现监测数据的远程传输、显示、查询。该系统不仅满足城市内涝监测的低功耗与广覆盖2 个方面需求，还具有非常重要的实用意义与防洪工作指导意义，为有关机构提供决策参考的科学依据，以提升城市整体排涝能力。