趙翔，杜賽賽，謝黎明，徐寒亭

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)信息傳輸現(xiàn)狀

1.1 目前傳輸方式分析

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)信息主要采用的傳輸方式有：①RS-232有線方式，傳輸距離小于20m；②RS-485有線方式，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1200m。③光纖技術(shù)有線傳輸方式、GSM/GPRS無線傳輸方式；④通過北斗衛(wèi)星傳輸以及其他傳輸方式?，F(xiàn)有的傳輸方式都存在一定的缺陷，分析如下。

①RS-232接口抗干擾能力弱，傳輸速度不高，傳輸距離有限，不適于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

②RS-485抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快，最大傳輸距離100m，實(shí)際可達(dá)到1200m。但是在橋梁實(shí)現(xiàn)有線方式就需要采用地埋鋪設(shè)或者架空布線方式，但較為繁瑣，施工難度巨大。

③光纖技術(shù)抗電磁干擾，通信容量大，傳輸距離遠(yuǎn)，尺寸小，重量輕，但是也是有線方式布設(shè)，需要特殊工具、設(shè)備，施工難度大，同時(shí)有供電困難問題。

④GSM/GPRS、衛(wèi)星等無線方式傳輸，基于公網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，對(duì)應(yīng)用者其維護(hù)工作量小，但應(yīng)用時(shí)將產(chǎn)生通信費(fèi)用且后續(xù)費(fèi)用將一直存在，不適合大量數(shù)據(jù)的傳輸。

綜上所述，目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常采用光纖通信或者GSM/GPRS無線方式，基本滿足遠(yuǎn)程傳輸?shù)男枨螅菍?duì)于偏遠(yuǎn)、特殊環(huán)境的大橋監(jiān)測項(xiàng)目，還沒有更方便、更經(jīng)濟(jì)的傳輸方法。

1.2 LoRa技術(shù)背景

LoRa是Semtech公司發(fā)布的一種基于1GHz以下的超長距、低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這一技術(shù)接收靈敏度高，通信距離遠(yuǎn)。LoRaWAN是LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以為各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供區(qū)域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRa技術(shù)高性能，成本低，易于建設(shè)和部署，成為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的一種理想技術(shù)選擇[1][2]。LPWAN相關(guān)組織LoRa聯(lián)盟目前在全球已有145位成員。據(jù)LoRa聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)目前已經(jīng)有34個(gè)公開聲明部署的網(wǎng)絡(luò)，至少150個(gè)城市進(jìn)行試點(diǎn)部署。國內(nèi)從事LoRa模塊和方案開發(fā)的廠商有AUGTEK、普天通達(dá)、三凡信息等公司。LoRa技術(shù)已經(jīng)得到越來越多的公司關(guān)注，雖然目前國內(nèi)的LoRa應(yīng)用并不多，但是未來會(huì)有更多的LoRa項(xiàng)目在國內(nèi)開展。

2 LoRa技術(shù)傳輸原理

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。LoRaWAN是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，實(shí)現(xiàn)前端的終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器之間的通信。網(wǎng)關(guān)與中央服務(wù)器之間通過IP協(xié)議通信。所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信[3]。

終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的通信有多種數(shù)據(jù)速率和不同的信道頻率可以選擇。數(shù)據(jù)率的選擇需要在通信范圍和信號(hào)時(shí)延之間進(jìn)行權(quán)衡，同一信道使用不同數(shù)據(jù)率的通信之間不會(huì)相互干擾。

LoRaWAN可以劃分為ClassA、Class B、Class C三種模式[4]：

圖1 ClassA

Class A：雙向通信終端設(shè)備。LoRa幀具有一個(gè)上行鏈路時(shí)隙，后面是兩個(gè)下行鏈路時(shí)隙。該幀符合TDD拓?fù)洹＝K端設(shè)備根據(jù)需要由終端設(shè)備自行安排。它是隨機(jī)決定的，類似于ALOHA協(xié)議，同時(shí)也是功耗最低的。

圖2 ClassB

Class B：劃定接收時(shí)隙的雙向通信終端設(shè)備。在下行鏈路期間使用額外的接收窗口，持續(xù)時(shí)間由網(wǎng)關(guān)使用信標(biāo)幀指定，這種方式LoRa系統(tǒng)在終端設(shè)備可以收聽時(shí)向服務(wù)器指示。

圖3 ClassC

Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設(shè)備。除傳輸模式外，此類終端設(shè)備可以一直監(jiān)聽。因此，它非常適合需要更多下行鏈路傳輸?shù)膽?yīng)用。比A類和B類設(shè)備使用更多功率，但是延遲最低。

3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)募夹g(shù)分析

根據(jù)相關(guān)資料，下表給出了目前流行的各種傳輸系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

不同通信方式的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)表中的參數(shù)可知，LoRa通信技術(shù)高達(dá)162dB的鏈路預(yù)算使其通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)30km。同時(shí)又具有良好的抗干擾性、可靠性和較好的可跟蹤性。和目前的通訊方式相比，LoRa通信技術(shù)具備傳輸距離長、功耗低、成本低、易于部署等特點(diǎn)。所以，LoRa通信技術(shù)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)比較理想的通信技術(shù)方式。

4 基于LoRa的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測橋梁環(huán)境信息、橋梁荷載信息和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息。環(huán)境信息監(jiān)測包括自然環(huán)境、地質(zhì)水文、風(fēng)環(huán)境、地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。荷載信息監(jiān)測包括恒載、活載、溫度、風(fēng)荷載和地震等。結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息監(jiān)測一般包括靜力位移和內(nèi)力響應(yīng)、動(dòng)力位移、加速度響應(yīng)等[5]。

濟(jì)廣高速河?xùn)|特大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)包括各子系統(tǒng)：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)子系統(tǒng)、用戶界面與預(yù)警子系統(tǒng)。傳感器子系統(tǒng)采用的傳感器類型，包括壓力式靜力水準(zhǔn)儀（撓度監(jiān)測）、溫度計(jì)（主梁溫度監(jiān)測）、拉繩式位移計(jì)（梁端位移監(jiān)測）。

LoRa技術(shù)即具有藍(lán)牙、Zigbee等技術(shù)的低功耗、高傳輸速率的特點(diǎn)，同時(shí)又具備3G、4G等廣域網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，因此適合應(yīng)用于橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)中。河?xùn)|特大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案采用LoRa技術(shù)，無需現(xiàn)場鋪設(shè)光纜及建設(shè)監(jiān)控中心機(jī)房，大大降低了建造成本和后期維護(hù)成本。

信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)將橋梁上布置的各類傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)集中采集，并將處理之后的數(shù)據(jù)通過LoRa終端設(shè)備以無線方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)、服務(wù)器，服務(wù)器端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析處理，最終在計(jì)算機(jī)或手機(jī)等設(shè)備上展示。

圖4 LoRa監(jiān)測系統(tǒng)傳輸示意圖

也可以由計(jì)算機(jī)或手機(jī)等設(shè)備發(fā)出控制指令，通過服務(wù)器傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)一步把指令傳遞給信號(hào)中繼器和終端，最后由傳感器設(shè)備接受指令并執(zhí)行。

圖5 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

基于LoRa技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成自組網(wǎng)，實(shí)際應(yīng)用中橋梁跨度大，地處位置偏遠(yuǎn)，通常需要二級(jí)中繼將各采集終端接入網(wǎng)關(guān)，最后傳送到中央服務(wù)器。

一般通信過程分為終端激活、加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸。LoRa終端加入LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，都要先進(jìn)行初始化及激活。激活后，終端會(huì)存儲(chǔ)設(shè)備地址、應(yīng)用ID、網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰、應(yīng)用會(huì)話密鑰等信息。終端成功加入網(wǎng)絡(luò)后，用戶可以通過電腦或手機(jī)等應(yīng)用端設(shè)備向各類橋梁監(jiān)測設(shè)備發(fā)送指令，也可將各類傳感器采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，達(dá)到橋梁健康實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

5 結(jié)語

LoRa技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，使其在橋梁健康監(jiān)測方面的有著巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無線架構(gòu)，無需布線施工，維護(hù)成本低，使橋梁健康監(jiān)測現(xiàn)狀能夠得到改善，極大的方便了各種橋梁監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)的傳輸，為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案選型提供了一種可能性方案。