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基于LoRa技术的水文遥测数据传输方式研究
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史东华李然
摘要:为解决水文遥测系统建设中监测要素多、选址难度大、传输距离远和成本高等难题,结合LoRa传输技术的特点和优势,提出了一种以LoRa模块为载体的连通感知节点到中继节点的无线通信传输方式,设计了以STM32-CortexM3微控制芯片为硬件核心和以μC/OS-II实时操作系统为软件核心的系统。该系统的应用可降低建站中布线、选址等难度,且能为水文遥测系统建设提供新的方法和思路。
关键词:水文遥测;数据传输;LoRa技术;SX1268;微控制器
1研究背景
水文遥测是基于现代信息技术、通信技术形成的一种技术[1-2],主要完成水文要素的感知、存储和通信传输,从而实现水文信息监测的自动化。其中,数据通信传输的畅通和稳定,直接影响到水文遥测系统的实时性和稳定性。我国已建设大量水文遥测站并由此组成了水文自动测报系统,其通信方式多采用GPRS、4G、VHF及卫星等无线方式或者有线方式[3]。
近年来,随着无线通信技术的发展,以WiFi、ZigBee、LoRa等技术为代表的无线通信技术逐步被各个行业采用。因受传输距离较近、参数配置不灵活等的限制,WiFi、ZigBee等组网传输方式需要依靠有线串接的无线网关设备作为终端接入点,无法彻底摆脱对有线传输方式的依赖,难以实现现有水文遥测系统对数据传输的要求[3]。LoRa是一种基于线性扩频调制的低功耗广域网(Low-PowerWide-AreaNetwork,LPWAN)通信技术,它延续了频移键控调制的低功耗特征,同时又增加了通信距离、抗多径、抗干扰能力[4]。
本文提出将LoRa技术应用于水文遥测系统,能同时满足低功耗与传输距离远方面需求,对水文信息进行自动监测,有助于提高系统的稳定性。
2水文遥测系统建设
水文遥测站适用于对水位、流量、流速、降雨(雪)、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等水文要素进行实时监测,站点选址需考虑水文要素的代表性和可用的通信方式。水文遥测站点多建在野外,地处偏远山区、河流、地形复杂地区等恶劣的自然环境,站点建设需考虑建设难易程度。
水文遥测系统建设的目标在于及时提供精准的水文数据信息,为水情预报和监测提供数据保障。系统组网需要可靠稳定的公共通信技术或有线方式,目前多采用GPRS/4G/北斗卫星、公网/移动专线等。水文遥测系统的现状多受建站位置和通信信号等因素制约。
系统在建设过程中存在以下问题:①一个水文站有多个监测断面且相距较远时,受线路架设或通信方式制约,一套采集控制设备不能同时接入多个监测断面的传感器,往往需要建设多套独立的遥测站,增加了建站成本和单站多套数据整合的难度;②传输线路架设易受环境影响,多采用地埋方式,受干扰因素多,布设后不易检修,地埋成本高;③在一些偏远山区或地形复杂地区,水文监测断面没有4G、卫星等公共通信网络或者信号较弱时,需要把站点建在公共信号较好的地点,增加建站和布线难度,甚至要调整传感器布设位置;④对于小型水文自动测报系统,利用公共通信资源将增加使用成本;⑤虽然可以选用VHF通信方式,但由于雷击、维护难度大等因素影响,水情数据传输稳定性得不到保证,又存在通信速率低、误码率高、功耗大等不足,无法保证稳定性,也增加了系统运行维护难度。
综上,对于水文遥测数据的传输,希望有一种建设成本低、传输稳定性高、畅通率高、功耗低、稳定性高和易维护的数据传输方式。
3LoRa技术
3.1技術特点
LoRa作为低功耗广域网的典型技术,具有超长距离传输、功耗低、数据量小、网络容量大等特点,且设计灵活性强。LoRa采用线性扩频调制技术,通信距离可达15km以上,空旷地方甚至更远;相比其他广域低功耗物联网技术,LoRa终端节点在相同的发射功率下可与网关或中继通信更长距离;LoRa网络工作在非授权的ISM频段,适用于野外通信环境较差的应用场景;较长的通信距离降低了建网复杂度,从而降低了网络的维护成本[5-6]。
3.2应用优势
LoRa技术可有效解决水文遥测站建设中遇到的线路、信号等问题。①LoRa具有长距离传输、网络容量大和灵活的特点,在布设水文要素传感器时,遥测站只需控制设备接入多个传感器,重点考虑传感器布设的合理性和感知水情要素的代表性,布设更为灵活[7]。②LoRa在一定范围内可替代有线,不受传感器间距离的影响,减少信号传输线路架设受干扰的因素、降低地埋成本,可避免线路中断后不易检查的问题[8]。③将LoRa中继布设在4G公共移动通信或北斗卫星等信号较好的位置即可,遥测站数据通过LoRa中继转为移动信号,通过此方式,可以解决不同的监测断面因公共移动信号不好无法使用4G或北斗的问题。④直接通过LoRa网关,可以将多个水文要素直接转向传输距离内的接收服务器,以低廉的
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