LoRa 技术在水利信息化建设的应用

张靖翼，张志华

（1.山东省调水工程运行维护中心昌邑管理站，山东 潍坊 261000；2.水利部机电研究所，天津 301900）

0 概述

目前基于LoRa 技术无线传感器网络不断发展，相关技术手段日益成熟，改善了传统无线传感器网络的覆盖范围小、自组网能力单一、实时性差等缺陷，LoRa 无线传感网络技术的应用实现了动态实时地掌握水利状况的信息，极大降低了人工成本，为我们实现水利信息的无线化监测数据的远距离传输提供了良好的解决方案。

1 水利信息无线传输现状

传统的水利信息无线传输方式主要是以GPRS、ZigBee 等无线方式进行传输。虽然这几种无线传输技术在传输速率、传输距离等方面有了很大的提高，但是传输方式仍然存在一些缺陷：

（1）通信问题

GPRS 无线通信技术受基站覆盖范围的限制，在偏远地区、山区等通信差、信号薄弱的地方，会导致传输速率下降甚至无法有效传送检测数据信息。存在通信死角。

（2）费用问题

GPRS 终端在通信时要使用电信运营商的基础建设，因此需要缴纳一定费用。由于水利信息在一些时间段需要实时采集，并监测数据。所以产生的数据流量费用后续会一直存在。目前水利信息通信上无线通信技术已经应用较为普遍，基本解决了无线远传通信的问题，而无线WiFi、GPRS、ZigBee 等高频通信方式，因为通信距离有限、系统较为复杂等缺陷，在实际应用过程中达到的效果并不理想，阻碍了水利信息智慧化发展。

2 LoRa 无线技术

LoRa 是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术。它具有传输距离远、覆盖面广、结构简单、多点连接、成本低以及低功耗等优点。在实际应用中，采用LoRa 无线通信技术的物联网设备，通信距离可以达到10 km 以上，供电寿命达到10 年以上，LoRaWAN 协议的设备具有很强的互操作性。一个完全符合LoRaWAN 标准的通信网关可以接入5～10 km 内上万个无线传感器节点，其效率远远高于传统的点对点轮询的通信模式，也能大幅度降低节点通信功耗。因此，LoRa 技术在远程水利信息方面的应用，对水利信息化中的信息监测技术有极大的促进作用。LoRa 的无线通信技术、星形组网结构等技术，也可以应用到其他更为复杂的水利场景，对提高水利信息的智慧化程度有促进作用。

3 LoRa 技术在水利信息上的应用

在水利信息化中，无线通信技术能够在水文、水资源、水质监测、灌区等各个领域得到应用。

3.1 在水文上的应用

在水文数据采集中，LoRa 的无线技术有较好的应用。由于水文遥测站点位置主要建设在河流、湖泊、渠道以及靠山等地区。部分站点位置信号薄弱甚至无公网信号。LoRa 技术在对水位、流量、流速、降水量、水温、冰凌、水质、地下水位等水文信息进行传输时有效解决了水文站中遇到的线路、信号等问题。它的优势体现如下：

（1）在数据传输距离方面、网路结构的容量方面LoRa 技术具有很大的优势，在水文遥测站建设时，只需要将采集的水文信息传感器接入控制设备即可，建设时主要考虑测点水情要素以及布设位置点的选择。

（2）在部分地区可以完全替代有线传输，免除有线传输布线烦琐的问题，也降低了建设成本。LoRa无线技术在传输过程中不存在衰减问题，而有线传输由于一些原因，电缆出现衰减现象却无法更换或难以更换电缆，新布线或更换工作烦琐、需要大量的人力物力。

（3）针对复杂地区信号差或无信号的问题，可以通过LoRa 点对点将数据传输到有信号的地方，然后通过4G-DTU 再将数据远程传输到服务器，或用户电脑。以此来解决遥测站因无公网信号无法测控的问题。

（4）LoRa 主要在433 MHz、868 MHz、915 MHz 这些全球免费频段运行。因此在数据传输中可以不依赖专网，通过LoRa 网关搭建组网系统。减少了专网的使用，同时也节约了成本。

（5）在维护方面，LoRa 无线技术故障诊断容易，设备维护便捷。当出现设备老化、损坏等状况时，只需更换相应的设备即可。

LoRa 技术在水文上的应用有效提升了水文铺设的范围，使水文资料更加丰富，为水利建设提供了基础，也间接提高了防汛减灾的能力。根据动态的水文数据监测可以更及时发现可能发生的汛情、险情、灾情信息，提高了防汛工作的效率。为防汛减灾和保证人民生命财产安全做出了保障。

3.2 在灌溉上的应用

LoRa 在农业灌溉中的应用有着得天独厚的优势。农业灌溉中灌溉面积是一项重要参数，而LoRa技术通信距离最高可以达到15 km，可以覆盖大面积农田。在灌溉系统应用中通过LoRa 把天气和土壤等数据传输到灌溉系统进行科学分析来最优灌溉决策。因农业灌溉不需要长期灌溉，所以无需实时通信，而且LoRa 的低功耗特性使灌溉系统中电池的寿命有了很大的提升。减少了设备损耗，节约了成本。因此LoRa 的节水灌溉智能监控系统，解决了灌区低功耗和远距离传输两者不可兼顾的问题，提高了灌区水资源管理的科学化、现代化水平；对灌区水价进行改革，实行阶梯水价，缓解水资源日益有限的矛盾、有效利用水资源，为实现科学节水型社会做出贡献。

3.3 在水质监测中的应用

在水利水电自动化管理中，对水情水质的监测应用广泛，主要负责对水情水质采集的参数进行技术分析，确保管理人员能够实时掌握被监控区域的水库、大坝等水利水电工程的活动情况。但由于水利水电工程所处地形复杂，管理范围较广，想要依靠有线方式实现监控网络的全覆盖具有较大难度，因此需要使用无线通信技术实现对水情水质的远距离监测。水质监测基于LoRa 的组网通信系统建设，将水情水质各类传感器采集的水情水质数据信息传输到计算机终端。将数据信息完整的展现在监控平台中。LoRa 技术在水质监测的应用丰富了水质监测在建设时对距离、位置选择的方案，也改善了通信信号薄弱、易干扰对数据传输的影响。使水质监测性能得到提高。实现了监测数据的科学化分布式管理和低功耗的嵌入式水质监测系统，提高了管理效率。

4 LoRa 技术在水利建设中的先进性

4.1 星状拓扑结构组网，供电寿命长

传统组网采用树形网状拓扑，树形结构的优势是组网快，各厂商之间无需底层协议的互相支持即可完成组网。缺点是复杂性大，网络容量有限，一旦某个设备出现故障，属于该设备链路下的所有设备都不能正常工作。LoRa 技术采用星状拓扑组网，这样的布线实现起来比较简单，并且所需的线缆数量也比较少。LoRa 网关在星状拓扑网络里起到中继的作用，建立终端设备和服务器的连接。网关通过IP 与服务器进行连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。星形网方式组网可以实现多通道并行接收,同时处理多路信号，这大大增加了网络容量。

由于LoRa 的低功耗优势，可以在不需要使用物联网设备时，让设备自动进入休眠模式。并且物联网设备处于休眠模式时耗电非常少，所以这一优势有助于节省电力。低功耗和低使用率又引起连锁反应，进而提高了供电寿命。

4.2 覆盖范围大，采集数据灵敏

传统的无线传输技术传输距离短，覆盖范围小主要是因为发射出来的有用功率随距离衰减而在终端侧达不到解调的信噪比要求。而LoRa 的扩频技术以带宽换功率、以带宽换信噪比，从而降低了信噪比要求。链路预算高达157 dB，使其通信距离可达15 km（与环境有关），极大提高了覆盖范围。其接收电流仅10 mA，睡眠电流200 nA，大大延长了电池的使用寿命。同时LoRa 具有前向纠错（FEC）技术，使得LoRa 采集数据的灵敏度、抗干扰能力相比以往的无线技术有了显著地提高。

4.3 成本较低，便于维护，安全性高

在成本方面LoRa 模块的成本在8～10 美元左右，LoRa 在免许可证频段上运行，因此可以通过简单的网络体系结构和较低的运营成本来构建网络。在构建网络过程中，可以免费试用LoRa 通信协议来构建网络，而使用GPRS 通信协议来构建网络需要购买SIM 卡收取流量费用。在设备维护方面具备VPN 功能的LoRa 网关，在通信加密和网关维护管理方面也非常便捷。可以利用VPN 对LoRa 网关进行远程管理和维护，并且由于VPN 本身的保密特性，对网关的这种远程管理和维护的过程是可以加密的，安全性有了保障。

5 结语

LoRa 技术在水利信息上得到了广泛运用，低功耗、远距离传输、低廉成本的特点也顺应了无线通信在水文、农业灌溉、水质监测通信距离普遍较远、供电困难等现实问题。提高了范围内数据传输效率，为水利信息化建设增添了新的技术手段，还可结合实际需求进行无线通信技术的合理应用，推动水利管理工作的信息化、科学化发展。

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