基于LoRaWAN的大坝和岩土工程安全监测系统

江 修 张绍飞 饶少锋 侯新华 沈省三

(基康仪器股份有限公司，北京 100080)

0 引言

在大坝和岩土工程结构安全监测领域，通过对坝体的变形、渗流、应力应变及温度、环境量和图像的监测，评估和保证大坝的运行安全[1]。

传统的大坝结构安全监测，按照工程建设的时间顺序分为三个阶段，分别为施工期、初次蓄水期和运行期的监测。在施工期，传感器根据工程进度，陆续埋入大坝等建筑物，监测以人工为主，通过读数仪读数的方式进行。在初次蓄水期，由于监测站附属设施没有完全竣工，可以实现半自动化的监测。在运行期，才能组建自动化的监测系统，实现自动化监测[2-3]。

传统的大坝结构安全监测系统由各类传感器、数据采集装置和数据汇聚中心组成。位于一定范围内的多只传感器通过拉长电缆的方式集中到数据采集装置进行测量，然后通过通信设备以有线或无线的通信方式把传感器测量数据传送到数据采集计算机或远程数据中心。这类监测系统具有如下特点：

(1)施工期、初次蓄水期和运行期采用不同的监测方式，从人工、半自动化逐步过渡到自动化监测，特别是施工期不能实现自动化监测，需要耗费大量的人力和物力；

(2)大量传感器分散安装在大坝不同的安装区域，传感器通过电缆连接到数据采集装置，需要消耗大量电缆，材料成本高，施工难度大，人力成本高；

(3)数据采集装置需要兼顾接入的所有传感器的监测原理、监测频次的要求，由于各部分功耗不平衡，采集装置总体功耗大。

因此，迫切需要一种新技术，解决现有的大坝和岩土工程监测系统中存在的施工期安全监测自动化和施工成本高等问题。

1 系统架构

LoRa是一种长距离、低功耗的无线通信技术，它是Long Range(长距离)的简称。LoRaWAN(LoRa Wide Area Network，LoRa广域网)是基于LoRa的低功耗广域网，它主要包括通信协议和体系结构[4-5]。LoRa Alliance(LoRa联盟)是一个开放、非赢利和快速增长的组织，负责制定LoRaWAN标准和执行认证，实现联盟内的产品相互兼容和互联互通，提供一个低功耗、可扩展、高服务质量、安全的长距离无线网络。LoRaWAN主要包括三个层次的通信实体：LoRa终端(End Nodes)、LoRa网关(Gateway)和LoRa服务器(Network Server)。LoRaWAN的基本框架如图1所示。

图1 LoRaWAN的基本框架

基于LoRaWAN的基本框架，研究提出了一套基于LoRaWAN的用于大坝和岩土工程安全监测的系统解决方案，系统组成框图如图2所示。

该系统由云终端、网关和云平台组成。云终端由传感器、数据采集和无线通信等部分组成；网关是云终端和云平台交互的中继，通过有线或无线的方式把数据送给云平台。云平台包括一系列的服务器，包括传感器数据的存储、查询和展示。

2 云终端

根据大坝和岩土工程监测传感器的类型，云终端可接入振弦式、差阻式、电位器式和标准的电压量/电流量等传感器；根据云终端接入传感器的数量，云终端可分为单通道和六通道；单通道和六通道的云终端外形如图3所示。根据云终端接入传感器的方式，可划分为分体式云终端和一体化云终端两类。分体式云终端的云终端和传感器之间通过一段电缆连接，一体化云终端的云终端和传感器集成在一起。

图3 单通道和六通道的云终端

云终端的内部组成单元如图4所示。包括传感单元、智能计算单元和接口单元三部分。传感单元是传感器的敏感元件，把待测物理量转换为电信号；智能计算单元包括信号调理、数据处理和数据存储单元；信号调理部分处理传感单元的电信号，并进行后续的数据处理和数据存储；接口单元提供云终端和本地、远程的通信接口，接口单元包含遵守LoRaWAN规范的远程通信模组和本地蓝牙通信模组。

根据云终端的内部组成，为实现上述功能，云终端的硬件电路设计包括如下功能模块：主控CPU采用低功耗MSP430系列单片机；供电与电池电量监测模块实现对电路的供电和电量的监测；LoRaWAN通信模组为云终端的远程通信接口，负责云终端通过网关与云平台的交互；蓝牙模块为云终端与本地设备的通信接口，在现场安装时，用于对设备的配置和现场读数；实时时钟为云终端提供时钟，平台可以对云终端实时时钟进行校时；存储器存储云终端有关传感器的配置信息和测量数据；磁按键在云终端壳体密封的情况下，可以实现云终端的唤醒和按键操作；调试串口用于工厂调试；传感器信号处理模块处理不同的传感器信号，云终端接入不同的传感器，则采用不同的信号处理模块。云终端硬件电路组成如图5所示。

图5 云终端硬件电路组成

为解决云终端安装时的现场读数和对传感器的配置，开发了手机APP，手机APP读数界面见图6。在手机APP上可以完成下列工作：

图6 手机APP读数界面

(1)现场安装时的读数(实时测量)；

(2)传感器相关的配置(如接入振弦式传感器，配置频段；如接入RS485传感器，配置地址和上电稳定时间等)；

(3)采集策略配置，如测量上报频次、上报阈值、加密策略等；

(4)读取终端信息：如终端型号、固件版本、状态信息(如电池电压、温度等)；

(5)导入设备自记数据并存储到手机；

(6)终端实时时钟的校时。

由于云终端电池供电，为使平台及时了解云终端的工作状态，云终端设计了测量电池电压、电路板工作温度等反映云终端工作状态的电路。云终端采用定时上报或平台主动获取的方式，了解云终端的工作情况。

3 网关

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构。在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，是连接云终端和LoRa服务器的网络关口，它连接终端设备和后端LoRa服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的终端设备与网关间均是双向通信。

网关的硬件组成如图7所示。网关以ARM板为核心，通过SPI与射频芯片SX1301连接，SX1301与射频通道相连接。网关具有LTE接口，作为与远程服务器的无线连接通道；网关具有POE接口，作为网关备用供电和网络接口，可作为与远程服务器的有线连接通道。

图7 网关硬件组成

4 云平台

云平台即LPWAN Server，组成如图8所示。由一系列的服务器组成，包括NS(Network Server，网络服务器)、AS(Application Server，应用服务器)、NC(Network Controller，网络控制服务器)和CS(Customer Server，客户服务器)。

图8 云平台的组成

网络服务器NS可以连接1个或多个网关，也可以连接1个或多个AS和NC；NS记录每个云终端的信息，检验来自于云终端的RF数据的合法性和封装下行RF数据包；

应用服务器AS可以连接1个或多个NS和CS。AS负责RF数据包的应用数据加密和解密，AS记录每个云终端的信息。

网络控制服务器NC可以连接1个或多个NS。NC负责控制RF(Radio Frequency)参数，云终端的通信速率/发射功率/选择最佳网关通信由它控制。

客户服务器CS可以连接1个或多个AS。CS是用户自定义的服务器，除了接口协议外，它具备高度的灵活性，实现数据存储和数据展示。

客户服务器包括平台服务模块、数据采集模块、数据共享模块、通用展示模块、数据预警模块等。

(1)平台服务模块：实现用户运营管理功能，实现用户的注册、用户组、用户关系管理、用户权限管理、系统升级维护功能；

(2)数据采集模块：实现用户设备的快速接入，设备协议解析，海量数据收集处理，分布式存储，数据的验证、清洗、透传、转发，与设备的基础通讯功能；

(3)数据共享模块：数据的发布权限管理、数据推送管理、数据查询接口；

(4)通用展示模块：数据合成、分析、整编功能，设备状态实时监控，设备远程控制，数据图表形式显示；

(5)数据预警模块：预警信息采集、预警信息管理、预警信息发布、预警系统配置管理、预警信息数据接口管理等。

5 应用实例

基于LoRaWAN的解决方案适用于传感器分散布置的情况，在仪器安装初期优越性明显。尤其适合在大坝基坑开挖期、填筑期等施工过程中的监测，从基坑开挖开始就可以形成监测自动化布局，并且只需在坝体两端的坝肩处各设置1台网关，即可实现大坝基坑以及边坡危岩监测与治理等整个施工区域电缆敷设至表面的监测仪器的数据采集。

某水库的大坝渗压监测项目，渗压监测点分散布置在大坝的上下游，监测点现场不具备供电条件，因此采用了LoRaWAN的系统解决方案。项目共安装2台网关和82个云终端，所用的云终端分为两种，分别是单通道/六通道的振弦式云终端，测量渗压/温度等物理量。

云平台提供网关收集的传感器数据汇聚，并进行传感器的数据存储、查询和展示。另外，数据汇聚中心还向网关提供下行的配置和命令。云平台登陆如图9所示。

图9 云平台登陆

云终端设备管理界面如图10所示。该管理界面提供云终端的在线状态/无线信号质量/设备状态信息。在线状态提示该终端当前是否在线，最后一次报数或设备状态的时刻；无线信号质量包含终端所在位置的接收信号强度和信噪比；设备状态信息包含电池电压/电池剩余容量/电池温度等参数。平台根据在线状态/无线信号质量/设备状态等信息综合判断云终端的设备状态。

图10 云终端设备状态

云平台提供云终端上报的监测物理量的过程曲线/分布图/相关图/三维图等展示界面，图11为监测物理量之温度过程曲线。

该项目2017年底实施，经测算，项目减少坝面电缆沟开挖及恢复、电缆埋设等施工工作量80%，减少使用电缆1.2×104m，整体减少项目成本25%以上。该系统上线运行2年多来，设备数据上报完整率95%以上，维护方便，取得了较好的应用效果。

6 结论

针对传统的大坝和岩土工程安全监测系统存在的问题，提出了一种基于LoRaWAN的大坝和岩土工程安全监测系统的无线通信系统解决方案，该无线通信系统由云终端、网关和云平台组成。云终端和网关之间采用低功耗、长距离的LoRa无线通信技术，很好地解决了终端的低功耗远传技术瓶颈，特别适合于大坝和岩土工程监测的低频次、单次小数据量传送的场合。该解决方案：

(1)降低了监测工程的材料成本和施工成本：由于传感器附近就近部署云终端，改变了原有技术中传感器和采集装置之间通过拉电缆的方式集中到数据采集装置，需要增加大量的电缆和工程预算的不足，降低了监测工程的材料和施工成本。

(2)为大坝和岩土工程的施工期安全监测提供了一个可行的解决方案：由于云终端在传感器附近的部署方式和低功耗无线数据传输，使大坝和岩土工程的施工期自动化监测成为可能，改变了原有技术条件下的施工期无法拉电缆集中和数据采集装置在施工期无法供电的问题。

(3)改善电池供电方式后，可直接应用于运行期的安全监测。

项目提出的解决方案，已经应用于包括国家某大型工程在内的10多个项目的安全监测中，部分项目持续稳定运行已达两年，取得了较好的应用效果。