林年旺

摘 要：在水利水電自動(dòng)化建設(shè)中，無(wú)線通訊技術(shù)發(fā)揮了重要作用。在實(shí)際應(yīng)用無(wú)線通訊技術(shù)時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)技術(shù)的合理選擇?；谶@種認(rèn)識(shí)，本文對(duì)ZigBee技術(shù)、4G移動(dòng)通信技術(shù)和LoRa技術(shù)的特點(diǎn)展開(kāi)了分析，并對(duì)這三種無(wú)線通訊技術(shù)在水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水電數(shù)據(jù)采集等方面的應(yīng)用情況進(jìn)行了探討，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);4G移動(dòng)通信技術(shù);LoRa技術(shù);水利水電自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0030-02

0 引言

在水利水電事業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，大量自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)得到了建設(shè)。在系統(tǒng)運(yùn)行管理的過(guò)程中，需要利用無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)水利水電數(shù)據(jù)信息采集，實(shí)現(xiàn)電氣裝置的科學(xué)控制。因此，還應(yīng)加強(qiáng)無(wú)線通訊技術(shù)在水利水電自動(dòng)化中的應(yīng)用分析，以便科學(xué)采用各種無(wú)線通訊技術(shù)滿足系統(tǒng)自動(dòng)化控制要求。

1 無(wú)線通訊技術(shù)概述

在水利水電自動(dòng)化系統(tǒng)中，想要實(shí)現(xiàn)水利水電項(xiàng)目自動(dòng)化控制，需要采用大量電氣裝置，實(shí)現(xiàn)裝置信息傳送，從而為裝置調(diào)度管理和終端命令執(zhí)行提供信息支撐，保證水利水電項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行。采用無(wú)線通訊技術(shù)，無(wú)需進(jìn)行線纜敷設(shè)即能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，能夠使自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用不受地域和自然環(huán)境的限制?，F(xiàn)階段，水利水電自動(dòng)化常用的無(wú)線通訊技術(shù)較多。伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，主要得到使用的技術(shù)包含ZigBee技術(shù)、4G移動(dòng)通信技術(shù)和LoRa技術(shù)。

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)為新興短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用IEEE 802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較低，能夠利用2.4GHz頻段進(jìn)行通信，成本較低。在近距離傳輸中，采用該技術(shù)能夠降低系統(tǒng)功耗。相較于傳統(tǒng)無(wú)線通訊技術(shù)，ZigBee技術(shù)能過(guò)在低功耗待機(jī)模式下長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，并且專(zhuān)注于10-250KB/s低速率傳輸，可以同時(shí)容納65000個(gè)設(shè)備，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自組織能力，能夠保證通信的可靠性。ZigBee技術(shù)采用AES-128算法，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查和鑒權(quán)，因此能夠使數(shù)據(jù)安全性得到保證。建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以利用技術(shù)強(qiáng)大組網(wǎng)能力得到不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，滿足信號(hào)實(shí)際傳輸需求。

1.2 4G移動(dòng)通信技術(shù)

4G移動(dòng)通信技術(shù)是第四代移動(dòng)通信技術(shù)，是在3G技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展得到的，能夠適應(yīng)移動(dòng)計(jì)算、移動(dòng)多媒體和移動(dòng)數(shù)據(jù)運(yùn)作需要，擁有超高數(shù)據(jù)傳輸速度。采用4G移動(dòng)通信技術(shù)，速率能夠達(dá)到幾百20Mbps以上，最高能夠達(dá)到100Mbps。在個(gè)人身份鑒定時(shí)，4G主要通過(guò)ID應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。采用該技術(shù)建立無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，可以隨時(shí)隨地通信，并實(shí)現(xiàn)圖畫(huà)、影像和資料的雙向下載，使數(shù)據(jù)信息通信突破時(shí)空局限?，F(xiàn)階段，4G通信能夠采用FDD-LTE和TD-LTE兩種無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)，是合并廣播和通信新基礎(chǔ)設(shè)施的重要紐帶。

1.3 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)為廣域通訊技術(shù)，采用semtech公司建立的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，能夠在較低功耗條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸。相較于傳統(tǒng)無(wú)線射頻通訊技術(shù)，LoRa技術(shù)通信距離能夠擴(kuò)大3-5倍，在城鎮(zhèn)可以達(dá)到2-5km傳輸距離，郊區(qū)能夠達(dá)到15km。LoRa技術(shù)采用ISM頻段，采用基于擴(kuò)頻技術(shù)的調(diào)制方式。建立LoRa網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)能夠與成千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)連接，數(shù)據(jù)傳輸速率在幾百到幾十Kbps范圍內(nèi)。在傳輸速率較低的情況下，傳輸距離較長(zhǎng)。針對(duì)傳輸數(shù)據(jù)，LoRa技術(shù)能夠采用AWS128進(jìn)行加密處理，因此能夠保證數(shù)據(jù)安全性。

2 無(wú)線通訊技術(shù)在水利水電自動(dòng)化中的應(yīng)用

在水利水電自動(dòng)化中，無(wú)線通訊技術(shù)能夠在水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水電數(shù)據(jù)采集等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。具體采用哪種無(wú)線通訊技術(shù)，需要結(jié)合實(shí)際需求確定，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的合理應(yīng)用。如表1所示，為幾種無(wú)線通訊技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較。在水利水電自動(dòng)化系統(tǒng)中，每種無(wú)線通訊技術(shù)都能單獨(dú)使用，完成獨(dú)立子系統(tǒng)的創(chuàng)建用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在不同的通訊網(wǎng)絡(luò)中，可以利用軟硬件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)自動(dòng)化控制要求。

2.1 在水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在水利水電自動(dòng)化管理中，水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)水情水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和上傳，確保管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握被監(jiān)控區(qū)域的水庫(kù)、大壩等水利水電工程的活動(dòng)情況。但由于水利水電工程所處地形復(fù)雜，管理范圍較廣，想要依靠有線方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋具有較大難度，因此需要使用無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)水情水質(zhì)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。實(shí)際在系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，可以采用4G移動(dòng)通信技術(shù)，完成由前端采集設(shè)備、服務(wù)器和客戶端構(gòu)成的水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，前端數(shù)據(jù)采集與傳輸部分為系統(tǒng)核心組成，由水位監(jiān)測(cè)儀、超聲波流速流量計(jì)、水質(zhì)檢測(cè)儀、遙測(cè)終端機(jī)等部分構(gòu)成。采用遙測(cè)終端機(jī)，能夠進(jìn)行水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，然后利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心由客戶端、服務(wù)器工程，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)和設(shè)備接入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控權(quán)限配置，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。采用4G移動(dòng)通信技術(shù)，可以利用4G網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接。在實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，還可以接入視頻監(jiān)控設(shè)備，利用4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控圖像的傳輸。由于4G網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的兼容性，所以能夠與各地水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)順利銜接，推動(dòng)水利監(jiān)控系統(tǒng)流域化發(fā)展。在防汛時(shí)期，采用該系統(tǒng)能夠?qū)σ呀ūO(jiān)控點(diǎn)水情進(jìn)行遠(yuǎn)程觀看，根據(jù)實(shí)時(shí)視頻圖像加強(qiáng)水情管理。監(jiān)控中心可以采用統(tǒng)一中心平臺(tái)，利用專(zhuān)業(yè)視頻服務(wù)器進(jìn)行視頻存儲(chǔ)，并借助分發(fā)服務(wù)器將視頻傳輸?shù)娇蛻舳?。無(wú)需采用流媒體服務(wù)器，用戶可以利用普通PC進(jìn)行客戶端登錄，也可以利用4G無(wú)線手持終端進(jìn)行客戶端軟件登錄。因此在水情水質(zhì)監(jiān)控管理方面，采用4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸能夠降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，同時(shí)縮短系統(tǒng)建設(shè)周期，為水電水利自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2.2 在水電數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

在水電自動(dòng)化管理方面，無(wú)線抄表系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。利用無(wú)線智能電表，可以實(shí)現(xiàn)水電信息自動(dòng)采集和上傳，避免人工錯(cuò)抄、誤抄情況的發(fā)生，能夠使水電管理費(fèi)用得到降低。實(shí)際應(yīng)用無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，需要采用Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)。具體來(lái)講，就是要在數(shù)據(jù)采集終端完成Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊的安裝，然后利用Zigbee遠(yuǎn)程終端模塊實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的讀取。利用Zigbee射頻部分，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足水電數(shù)據(jù)采集管理需求。實(shí)際建立Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，需要利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信管理，利用FFD節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。在水電站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，采用Zigbee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電能數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。結(jié)合水電站的水電管理需求，采用遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)需要對(duì)各電表進(jìn)行監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)電表正向電量、感性無(wú)功、電壓等各種數(shù)據(jù)的采集。采用Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行電表數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)傳輸至Zigbee協(xié)調(diào)器，利用RS485轉(zhuǎn)USB接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信連接。采用遠(yuǎn)程軟件，能夠完成數(shù)據(jù)讀取操作。實(shí)際在安裝數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，還要利用RS485接口將電表與模塊連接在一起，采用屏蔽雙絞線進(jìn)行并聯(lián)，滿足多塊電表同時(shí)通信需求。利用模塊發(fā)射功能，可以進(jìn)行協(xié)調(diào)器連接。在水電數(shù)據(jù)管理方面，采用由LABVIEW開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程抄表軟件即能獲得的水電數(shù)據(jù)記錄，并對(duì)模塊運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水電站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行問(wèn)題。相較于其他無(wú)線通訊技術(shù)，Zigbee技術(shù)具有較強(qiáng)自愈能力。因此在水電數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，即便有節(jié)點(diǎn)發(fā)生通道故障，系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)通道重新選擇，確保水電數(shù)據(jù)能夠得到及時(shí)傳輸，因此在水電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理方面具有較高可靠性。

2.3 在水利水電管理中的應(yīng)用

在水利水電管理中，LoRa技術(shù)也能得到較好的應(yīng)用。現(xiàn)階段，在城市水務(wù)管理方面，基于LoRa的智慧水務(wù)系統(tǒng)得到了應(yīng)用，能夠通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀器、水質(zhì)水壓表和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備對(duì)供排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，滿足水利水電精細(xì)化管理要求。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，包含感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。感知層對(duì)LoRa傳感器進(jìn)行了集成應(yīng)用，能夠?qū)λ|(zhì)、水位、流量等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，利用LoRa模組實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRaWAN基站，可以將數(shù)據(jù)傳輸至核心網(wǎng)。采用LoRa技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)重疊，同時(shí)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)通信干擾進(jìn)行處理，可以使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫奖ＷC。系統(tǒng)平臺(tái)層采用云技術(shù)，能夠提供豐富網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適配能力，為海量終端設(shè)備的連接提供支持。采用系統(tǒng)應(yīng)用層，可以在服務(wù)器上進(jìn)行手機(jī)、PC等各種終端的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)用。應(yīng)用LoRa進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)，可以對(duì)低功耗廣域網(wǎng)進(jìn)行快速部署。該種基站能夠采用多種接入方式，提供多業(yè)務(wù)平臺(tái)，所以能夠在云端進(jìn)行終端配置管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能可視化管理。系統(tǒng)采用LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信，需要采用非授權(quán)頻譜進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組建，即在1GHz頻段下工作。從整體架構(gòu)來(lái)看，感知層主要依靠LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)平臺(tái)層負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和接入管理，應(yīng)用層提供水利水電管理服務(wù)。應(yīng)用該系統(tǒng)，需要通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)和LoRa網(wǎng)絡(luò)建立與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)感知設(shè)備的通信連接，然后對(duì)水壓、水位等信息進(jìn)行采集、傳輸和處理。根據(jù)地圖上顯示的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，可以確定不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，完成日志數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為水利水電管理工作的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐。在日常運(yùn)行的過(guò)程中，一旦LoRa感知設(shè)備發(fā)生故障，系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)提示，確保網(wǎng)絡(luò)通信安全得到保證。通過(guò)遠(yuǎn)程控制，也能利用LoRa模組實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級(jí)，因此能夠使LoRa網(wǎng)絡(luò)保持穩(wěn)定運(yùn)行，滿足水利水電自動(dòng)化管理要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，在水利水電自動(dòng)化管理方面，ZigBee技術(shù)、4G移動(dòng)通信技術(shù)和LoRa技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用，能夠?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)控制管理提供數(shù)據(jù)支持，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。在水利水電生產(chǎn)作業(yè)中，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際管理需求進(jìn)行無(wú)線通訊技術(shù)的合理應(yīng)用，推動(dòng)水利水電管理工作的信息化、科學(xué)化發(fā)展。

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