胡春杰，楊 溯，劉 峰

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

城市排水防澇和防洪減災(zāi)建設(shè)的重要性，已經(jīng)受到各地防汛部門的高度關(guān)注，城市內(nèi)澇監(jiān)測是城市防洪減災(zāi)的關(guān)鍵?？紤]到城市內(nèi)澇數(shù)據(jù)采集范圍廣、監(jiān)測點(diǎn)分散、信號的穩(wěn)定性，同時也要考慮到傳輸功耗、模塊成本，本文設(shè)計(jì)了一種利用LoRa 的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅滿足城市內(nèi)澇監(jiān)測的低功耗與廣覆蓋2 個方面需求，而且也具有非常重要的實(shí)用意義與防洪工作指導(dǎo)意義，具有良好的推廣價值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 技術(shù)選取

城市內(nèi)澇監(jiān)測區(qū)域周圍障礙物多，數(shù)據(jù)傳輸時需要一種穿透能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離、性價比高的無線傳輸技術(shù)。

無線電波衰減公式：

式中：Lfs為電磁波損耗；d為通信距離；f為發(fā)射頻率。從式（1）可知，在無線電波傳輸距離一定時，高頻信號傳輸損耗更大［1］。

從表1 可得，WiFi，Bluetooth，ZigBee 等通信技術(shù)通信頻段為2.4 GHz，傳輸損耗大，不宜遠(yuǎn)距離傳輸，而NB-LoT 使用頻段范圍較多，但其中1 GHz 以下頻段需要授權(quán)，穿越障礙物能力弱，無法自建網(wǎng)絡(luò)。LoRa技術(shù)成熟、無需授權(quán)、協(xié)議公開且簡單，功耗極低；自建網(wǎng)絡(luò)成本低且不局限于運(yùn)營商信號，非常適用于通信環(huán)境較差的應(yīng)用場景［2-3］，因此本系統(tǒng)采用LoRa 通信技術(shù)作為采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸方式。

表1 幾種無線技術(shù)比較

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由水雨情采集節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、中心站3個部分組成，如圖1所示。水雨情采集節(jié)點(diǎn)定時采集水雨情數(shù)據(jù)發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)通過GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼?，中心服?wù)器解析無線網(wǎng)關(guān)上傳的水雨情數(shù)據(jù)并存儲到本地?cái)?shù)據(jù)庫中，顯示終端用于查看采集的數(shù)據(jù)，及時做出防汛減災(zāi)決策。

圖1 系統(tǒng)框架

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包含各種傳感器、STM32、太陽能供電模塊、LoRa通信模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器模塊包含水位傳感器和雨量傳感器。其中，水位傳感器采用RS485 接口與微控制通信，采用差分信號、半雙工方式傳輸信號，差分信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號，然后由微控制器接收處理，硬件連接圖如圖3 所示。雨量傳感器采用國產(chǎn)JDZ05-1型［4］，其分辨力為0.5mm，雨強(qiáng)范圍在0～4mm/min，硬件連接圖如圖4所示。

圖3 水位傳感器硬件設(shè)計(jì)

圖4 雨量傳感器硬件設(shè)計(jì)

LoRa 通信模塊采用宏電H6820 LoRa 模塊，支持433/470/490 等Sub-GHz 頻段，采用工業(yè)級32 位處理器和射頻模塊。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中將LoRa 模塊設(shè)置成終端模式，與微控制器通過串口進(jìn)行連接，硬件連接實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 微控制器與LoRa模塊連接

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由微控制器、太陽能供電模塊、LoRa通信模塊及GPRS 模塊組成，是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和中心站之間的橋梁。結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要包括2個方面的功能：（1）負(fù)責(zé)水雨情數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)信息的接收并將其轉(zhuǎn)發(fā)至中心站；（2）負(fù)責(zé)接收中心站的指令并將其下達(dá)至數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框

微控制器采用搭載三星S3C2440A 的Mini2440開發(fā)板，板載64M SDRAM、128M 的閃存，百兆網(wǎng)卡接口、USB 接口及JTAG 調(diào)試等接口，擁有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。GPRS模塊型號為宏電H7718，該模塊能在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，常用于水文氣象行業(yè)、智能交通等領(lǐng)域，具體連接如圖7所示。

圖7 GPRS模塊連接

4 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要功能是采集城市內(nèi)水雨情數(shù)據(jù)，加入LoRa 網(wǎng)絡(luò)和通過LoRa 通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)［5-6］。

采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)之后會向網(wǎng)關(guān)發(fā)送請求，收到LoRa網(wǎng)關(guān)的建立連接指令后與網(wǎng)關(guān)建立連接，如果收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)，LoRa通信模塊將水雨情數(shù)據(jù)傳送至LoRa 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；如果沒有收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)，本次數(shù)據(jù)采集不成功，采集節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下次喚醒，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要功能是管理LoRa 無線通信網(wǎng)絡(luò)、收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過GPRS 模塊轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程服務(wù)器［7］。

5 中心站設(shè)計(jì)

城市內(nèi)澇監(jiān)測平臺主要負(fù)責(zé)接收不同地區(qū)采集節(jié)點(diǎn)的各種水雨情數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲解析，還可以設(shè)置水雨情數(shù)據(jù)的閥值并發(fā)出實(shí)時報(bào)警。平臺以SQL Server 2012 作為后臺數(shù)據(jù)庫，采用Microsoft Visual Studio 2010 為開發(fā)軟件，利用C#語言的三層架構(gòu)體系［8-9］，開發(fā)了一套城市內(nèi)澇監(jiān)測平臺。監(jiān)測平臺軟件界面簡潔友好、操作簡便，可實(shí)時查詢城市各個監(jiān)測站點(diǎn)水雨情信息，為科學(xué)指導(dǎo)防訊減災(zāi)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

6 結(jié) 語

本文在城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，利用雨量傳感器、水位傳感器等多種傳感器采集數(shù)據(jù)，通過LoRa 通信模塊上傳至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)后再經(jīng)GPRS 模塊傳輸?shù)街行恼?，?shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、顯示、查詢。該系統(tǒng)不僅滿足城市內(nèi)澇監(jiān)測的低功耗與廣覆蓋2 個方面需求，還具有非常重要的實(shí)用意義與防洪工作指導(dǎo)意義，為有關(guān)機(jī)構(gòu)提供決策參考的科學(xué)依據(jù)，以提升城市整體排澇能力。