江 修 張紹飛 饒少鋒 侯新華 沈省三

(基康儀器股份有限公司，北京 100080)

0 引言

在大壩和巖土工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測領(lǐng)域，通過對(duì)壩體的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量和圖像的監(jiān)測，評(píng)估和保證大壩的運(yùn)行安全[1]。

傳統(tǒng)的大壩結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，按照工程建設(shè)的時(shí)間順序分為三個(gè)階段，分別為施工期、初次蓄水期和運(yùn)行期的監(jiān)測。在施工期，傳感器根據(jù)工程進(jìn)度，陸續(xù)埋入大壩等建筑物，監(jiān)測以人工為主，通過讀數(shù)儀讀數(shù)的方式進(jìn)行。在初次蓄水期，由于監(jiān)測站附屬設(shè)施沒有完全竣工，可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的監(jiān)測。在運(yùn)行期，才能組建自動(dòng)化的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測[2-3]。

傳統(tǒng)的大壩結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)由各類傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)匯聚中心組成。位于一定范圍內(nèi)的多只傳感器通過拉長電纜的方式集中到數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行測量，然后通過通信設(shè)備以有線或無線的通信方式把傳感器測量數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。這類監(jiān)測系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)施工期、初次蓄水期和運(yùn)行期采用不同的監(jiān)測方式，從人工、半自動(dòng)化逐步過渡到自動(dòng)化監(jiān)測，特別是施工期不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，需要耗費(fèi)大量的人力和物力；

(2)大量傳感器分散安裝在大壩不同的安裝區(qū)域，傳感器通過電纜連接到數(shù)據(jù)采集裝置，需要消耗大量電纜，材料成本高，施工難度大，人力成本高；

(3)數(shù)據(jù)采集裝置需要兼顧接入的所有傳感器的監(jiān)測原理、監(jiān)測頻次的要求，由于各部分功耗不平衡，采集裝置總體功耗大。

因此，迫切需要一種新技術(shù)，解決現(xiàn)有的大壩和巖土工程監(jiān)測系統(tǒng)中存在的施工期安全監(jiān)測自動(dòng)化和施工成本高等問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

LoRa是一種長距離、低功耗的無線通信技術(shù)，它是Long Range(長距離)的簡稱。LoRaWAN(LoRa Wide Area Network，LoRa廣域網(wǎng))是基于LoRa的低功耗廣域網(wǎng)，它主要包括通信協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)[4-5]。LoRa Alliance(LoRa聯(lián)盟)是一個(gè)開放、非贏利和快速增長的組織，負(fù)責(zé)制定LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟內(nèi)的產(chǎn)品相互兼容和互聯(lián)互通，提供一個(gè)低功耗、可擴(kuò)展、高服務(wù)質(zhì)量、安全的長距離無線網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN主要包括三個(gè)層次的通信實(shí)體：LoRa終端(End Nodes)、LoRa網(wǎng)關(guān)(Gateway)和LoRa服務(wù)器(Network Server)。LoRaWAN的基本框架如圖1所示。

圖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的用于大壩和巖土工程安全監(jiān)測的系統(tǒng)解決方案，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

該系統(tǒng)由云終端、網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)組成。云終端由傳感器、數(shù)據(jù)采集和無線通信等部分組成；網(wǎng)關(guān)是云終端和云平臺(tái)交互的中繼，通過有線或無線的方式把數(shù)據(jù)送給云平臺(tái)。云平臺(tái)包括一系列的服務(wù)器，包括傳感器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和展示。

2 云終端

根據(jù)大壩和巖土工程監(jiān)測傳感器的類型，云終端可接入振弦式、差阻式、電位器式和標(biāo)準(zhǔn)的電壓量/電流量等傳感器；根據(jù)云終端接入傳感器的數(shù)量，云終端可分為單通道和六通道；單通道和六通道的云終端外形如圖3所示。根據(jù)云終端接入傳感器的方式，可劃分為分體式云終端和一體化云終端兩類。分體式云終端的云終端和傳感器之間通過一段電纜連接，一體化云終端的云終端和傳感器集成在一起。

圖3 單通道和六通道的云終端

云終端的內(nèi)部組成單元如圖4所示。包括傳感單元、智能計(jì)算單元和接口單元三部分。傳感單元是傳感器的敏感元件，把待測物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；智能計(jì)算單元包括信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；信號(hào)調(diào)理部分處理傳感單元的電信號(hào)，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；接口單元提供云終端和本地、遠(yuǎn)程的通信接口，接口單元包含遵守LoRaWAN規(guī)范的遠(yuǎn)程通信模組和本地藍(lán)牙通信模組。

根據(jù)云終端的內(nèi)部組成，為實(shí)現(xiàn)上述功能，云終端的硬件電路設(shè)計(jì)包括如下功能模塊：主控CPU采用低功耗MSP430系列單片機(jī)；供電與電池電量監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的供電和電量的監(jiān)測；LoRaWAN通信模組為云終端的遠(yuǎn)程通信接口，負(fù)責(zé)云終端通過網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)的交互；藍(lán)牙模塊為云終端與本地設(shè)備的通信接口，在現(xiàn)場安裝時(shí)，用于對(duì)設(shè)備的配置和現(xiàn)場讀數(shù)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘為云終端提供時(shí)鐘，平臺(tái)可以對(duì)云終端實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)；存儲(chǔ)器存儲(chǔ)云終端有關(guān)傳感器的配置信息和測量數(shù)據(jù)；磁按鍵在云終端殼體密封的情況下，可以實(shí)現(xiàn)云終端的喚醒和按鍵操作；調(diào)試串口用于工廠調(diào)試；傳感器信號(hào)處理模塊處理不同的傳感器信號(hào)，云終端接入不同的傳感器，則采用不同的信號(hào)處理模塊。云終端硬件電路組成如圖5所示。

圖5 云終端硬件電路組成

為解決云終端安裝時(shí)的現(xiàn)場讀數(shù)和對(duì)傳感器的配置，開發(fā)了手機(jī)APP，手機(jī)APP讀數(shù)界面見圖6。在手機(jī)APP上可以完成下列工作：

圖6 手機(jī)APP讀數(shù)界面

(1)現(xiàn)場安裝時(shí)的讀數(shù)(實(shí)時(shí)測量)；

(2)傳感器相關(guān)的配置(如接入振弦式傳感器，配置頻段；如接入RS485傳感器，配置地址和上電穩(wěn)定時(shí)間等)；

(3)采集策略配置，如測量上報(bào)頻次、上報(bào)閾值、加密策略等；

(4)讀取終端信息：如終端型號(hào)、固件版本、狀態(tài)信息(如電池電壓、溫度等)；

(5)導(dǎo)入設(shè)備自記數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到手機(jī)；

(6)終端實(shí)時(shí)時(shí)鐘的校時(shí)。

由于云終端電池供電，為使平臺(tái)及時(shí)了解云終端的工作狀態(tài)，云終端設(shè)計(jì)了測量電池電壓、電路板工作溫度等反映云終端工作狀態(tài)的電路。云終端采用定時(shí)上報(bào)或平臺(tái)主動(dòng)獲取的方式，了解云終端的工作情況。

3 網(wǎng)關(guān)

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，是連接云終端和LoRa服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)關(guān)口，它連接終端設(shè)備和后端LoRa服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。

網(wǎng)關(guān)的硬件組成如圖7所示。網(wǎng)關(guān)以ARM板為核心，通過SPI與射頻芯片SX1301連接，SX1301與射頻通道相連接。網(wǎng)關(guān)具有LTE接口，作為與遠(yuǎn)程服務(wù)器的無線連接通道；網(wǎng)關(guān)具有POE接口，作為網(wǎng)關(guān)備用供電和網(wǎng)絡(luò)接口，可作為與遠(yuǎn)程服務(wù)器的有線連接通道。

圖7 網(wǎng)關(guān)硬件組成

4 云平臺(tái)

云平臺(tái)即LPWAN Server，組成如圖8所示。由一系列的服務(wù)器組成，包括NS(Network Server，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)、AS(Application Server，應(yīng)用服務(wù)器)、NC(Network Controller，網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器)和CS(Customer Server，客戶服務(wù)器)。

圖8 云平臺(tái)的組成

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器NS可以連接1個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)，也可以連接1個(gè)或多個(gè)AS和NC；NS記錄每個(gè)云終端的信息，檢驗(yàn)來自于云終端的RF數(shù)據(jù)的合法性和封裝下行RF數(shù)據(jù)包；

應(yīng)用服務(wù)器AS可以連接1個(gè)或多個(gè)NS和CS。AS負(fù)責(zé)RF數(shù)據(jù)包的應(yīng)用數(shù)據(jù)加密和解密，AS記錄每個(gè)云終端的信息。

網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器NC可以連接1個(gè)或多個(gè)NS。NC負(fù)責(zé)控制RF(Radio Frequency)參數(shù)，云終端的通信速率/發(fā)射功率/選擇最佳網(wǎng)關(guān)通信由它控制。

客戶服務(wù)器CS可以連接1個(gè)或多個(gè)AS。CS是用戶自定義的服務(wù)器，除了接口協(xié)議外，它具備高度的靈活性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)展示。

客戶服務(wù)器包括平臺(tái)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)共享模塊、通用展示模塊、數(shù)據(jù)預(yù)警模塊等。

(1)平臺(tái)服務(wù)模塊：實(shí)現(xiàn)用戶運(yùn)營管理功能，實(shí)現(xiàn)用戶的注冊、用戶組、用戶關(guān)系管理、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)功能；

(2)數(shù)據(jù)采集模塊：實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備的快速接入，設(shè)備協(xié)議解析，海量數(shù)據(jù)收集處理，分布式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、清洗、透傳、轉(zhuǎn)發(fā)，與設(shè)備的基礎(chǔ)通訊功能；

(3)數(shù)據(jù)共享模塊：數(shù)據(jù)的發(fā)布權(quán)限管理、數(shù)據(jù)推送管理、數(shù)據(jù)查詢接口；

(4)通用展示模塊：數(shù)據(jù)合成、分析、整編功能，設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)圖表形式顯示；

(5)數(shù)據(jù)預(yù)警模塊：預(yù)警信息采集、預(yù)警信息管理、預(yù)警信息發(fā)布、預(yù)警系統(tǒng)配置管理、預(yù)警信息數(shù)據(jù)接口管理等。

5 應(yīng)用實(shí)例

基于LoRaWAN的解決方案適用于傳感器分散布置的情況，在儀器安裝初期優(yōu)越性明顯。尤其適合在大壩基坑開挖期、填筑期等施工過程中的監(jiān)測，從基坑開挖開始就可以形成監(jiān)測自動(dòng)化布局，并且只需在壩體兩端的壩肩處各設(shè)置1臺(tái)網(wǎng)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)大壩基坑以及邊坡危巖監(jiān)測與治理等整個(gè)施工區(qū)域電纜敷設(shè)至表面的監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)采集。

某水庫的大壩滲壓監(jiān)測項(xiàng)目，滲壓監(jiān)測點(diǎn)分散布置在大壩的上下游，監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場不具備供電條件，因此采用了LoRaWAN的系統(tǒng)解決方案。項(xiàng)目共安裝2臺(tái)網(wǎng)關(guān)和82個(gè)云終端，所用的云終端分為兩種，分別是單通道/六通道的振弦式云終端，測量滲壓/溫度等物理量。

云平臺(tái)提供網(wǎng)關(guān)收集的傳感器數(shù)據(jù)匯聚，并進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和展示。另外，數(shù)據(jù)匯聚中心還向網(wǎng)關(guān)提供下行的配置和命令。云平臺(tái)登陸如圖9所示。

圖9 云平臺(tái)登陸

云終端設(shè)備管理界面如圖10所示。該管理界面提供云終端的在線狀態(tài)/無線信號(hào)質(zhì)量/設(shè)備狀態(tài)信息。在線狀態(tài)提示該終端當(dāng)前是否在線，最后一次報(bào)數(shù)或設(shè)備狀態(tài)的時(shí)刻；無線信號(hào)質(zhì)量包含終端所在位置的接收信號(hào)強(qiáng)度和信噪比；設(shè)備狀態(tài)信息包含電池電壓/電池剩余容量/電池溫度等參數(shù)。平臺(tái)根據(jù)在線狀態(tài)/無線信號(hào)質(zhì)量/設(shè)備狀態(tài)等信息綜合判斷云終端的設(shè)備狀態(tài)。

圖10 云終端設(shè)備狀態(tài)

云平臺(tái)提供云終端上報(bào)的監(jiān)測物理量的過程曲線/分布圖/相關(guān)圖/三維圖等展示界面，圖11為監(jiān)測物理量之溫度過程曲線。

該項(xiàng)目2017年底實(shí)施，經(jīng)測算，項(xiàng)目減少壩面電纜溝開挖及恢復(fù)、電纜埋設(shè)等施工工作量80%，減少使用電纜1.2×104m，整體減少項(xiàng)目成本25%以上。該系統(tǒng)上線運(yùn)行2年多來，設(shè)備數(shù)據(jù)上報(bào)完整率95%以上，維護(hù)方便，取得了較好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的大壩和巖土工程安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于LoRaWAN的大壩和巖土工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)解決方案，該無線通信系統(tǒng)由云終端、網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)組成。云終端和網(wǎng)關(guān)之間采用低功耗、長距離的LoRa無線通信技術(shù)，很好地解決了終端的低功耗遠(yuǎn)傳技術(shù)瓶頸，特別適合于大壩和巖土工程監(jiān)測的低頻次、單次小數(shù)據(jù)量傳送的場合。該解決方案：

(1)降低了監(jiān)測工程的材料成本和施工成本：由于傳感器附近就近部署云終端，改變了原有技術(shù)中傳感器和采集裝置之間通過拉電纜的方式集中到數(shù)據(jù)采集裝置，需要增加大量的電纜和工程預(yù)算的不足，降低了監(jiān)測工程的材料和施工成本。

(2)為大壩和巖土工程的施工期安全監(jiān)測提供了一個(gè)可行的解決方案：由于云終端在傳感器附近的部署方式和低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸，使大壩和巖土工程的施工期自動(dòng)化監(jiān)測成為可能，改變了原有技術(shù)條件下的施工期無法拉電纜集中和數(shù)據(jù)采集裝置在施工期無法供電的問題。

(3)改善電池供電方式后，可直接應(yīng)用于運(yùn)行期的安全監(jiān)測。

項(xiàng)目提出的解決方案，已經(jīng)應(yīng)用于包括國家某大型工程在內(nèi)的10多個(gè)項(xiàng)目的安全監(jiān)測中，部分項(xiàng)目持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行已達(dá)兩年，取得了較好的應(yīng)用效果。