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LoRa在地質災害監測的應用解決方案

18年08月02日     廈門四信

[導讀]本文探討了利用LoRa無線網絡技術,實現監測數據的分布式管理和低功耗的嵌入式地災災害監測系統,有效提高了地質災害監測系統的可靠性和實時性。

摘 要:我國是世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一,而且地質條件復雜,各種地質災害隱患多、分布廣,突發性和破壞性特別強,嚴重威脅人民的生命財產安全。對地質災害進行監測需要長期的連續在線數據采集,由于采集數據的地形相對復雜,一些傳統的監測方法已經不能滿足地質災害監測的需求,因此,本文探討了利用LoRa無線網絡技術,實現監測數據的分布式管理和低功耗的嵌入式地災災害監測系統,有效提高了地質災害監測系統的可靠性和實時性。

1.系統概述

地質災害來源于自然和人為作用對地質環境的災難性破壞,地質災害常見的四種形態為滑坡、崩塌、泥石流和地面沉降。由于監測設備安裝于野外環境,氣象條件和地理環境相對比較惡劣,通信網絡的覆蓋情況也比較不理想,如果在傳統的地質災害監測系統的采集層和數據傳輸層中引入LoRa無線網絡技術,可極大提高地質災害監測的實時性和可靠性,保障全天24h實時監測,及時、準確為災害預警提供有效依據。

2.系統設計

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(1)系統采用分層分布式結構,第一層為遙測站數據采集。采集各監測站點監測數據。第二層為遠程無線傳輸網絡。通過GPRS/SMS/衛星/LoRa等通訊方式,平臺可向監測站發送召測命令,隨時召測測站歷史數據,監測站可即時上報定時數據或報警數據。第三層為數據匯聚平臺,通過網絡連接監測中心站實現數據共享,使之組成一個管理自動化的預警系統。

(2)系統采用信息遙測、軟件工程、網絡、現代通訊、人工智能等先進技術。可快速采集、存儲地質災害監測點的雨量、泥位、土壤含水率、地聲、次聲等實時數據及監測設備工作電壓和環境溫度數據。

(3)前端采集的傳感器與數據傳輸的遙測終端均集成LoRa通訊模塊,適應于高低溫環境下工作,具有低功耗、穩定性高、便于安裝等特點,完全滿足惡劣的野外工作條件。

(4)監測系統支持GPRS/SMS/3G/衛星等通訊方式發送至多個遠程中心,并滿足通過LoRa無線傳感網絡,傳感器節點、終端節點以及中心節點之間可相互通信。

3.系統應用集成

3.1 行業監管

(1)一體化設計

數據采集終端采用模塊化思路設計,具有低功耗和低成本的特點,內置LoRa通訊模塊,可對傳感器節點進行集中管理和控制,并將采集到的傳感數據進行處理和存儲。

(2)網絡自愈性

無需人工干預,網絡節點能夠感知其他節點的存在,并確定連接關系,組成結構化的網絡;當節點位置發生變化或故障時,網絡可自我修復,并對網絡拓撲結構進行相應的調整,保證系統穩定正常工作。

(3)高兼容性

中心節點具備協調器功能,除完成接收終端節點發送過來的請求和數據,終端節點的入網管理,負責網絡結構的維護,實現網絡自組織功能,同時連接GPRS網絡,完成與監控中心之間的數據傳輸和命令管理,完全滿足地質災害監測系統的數據傳輸要求。

3.2 運維可靠

(1)傳輸安全

系統設置了地質災害預警預報中心,為保證數據傳輸的可靠性,提高數據暢通率,在預報中心采用了GPRS+LoRa的主備信道傳輸,避免因單一信道故障導致系統通訊終端。

(2)抗干擾性

為保證監測預警預報中心可以隨時正確獲取監測站數據、讀取任意時段數據或監測站工作狀態等信息,數據到達監測中心服務器后,首先由通訊程序接收數據,通訊程序負責對數據包進行拆包、解碼,對數據進行糾檢錯處理,這一過程減少了數據的誤碼率、提高了數據完整率。監測數據合成后被存入數據庫中并存入日志文件中。

(3)低功耗設計

系統采用定時喚醒的模式來管理各級節點,當需要采集數據時,由監控中心下發命令給中心節點,中心節點再來喚醒各個終端節點,開始數據的采集和發送。終端節點會將采集到的雨量、位移、傾斜、壓力等數據經過融合,再傳輸到中心節點。

(4)低運維成本

相比傳統的GPRS數據傳輸,LoRa數據傳輸不需要額外的運行成本,可大幅降低項目后期的運營維護成本。

4.討論

隨著無線傳感器網絡市場的進一步發展,本文將LoRa無線網絡傳感技術引入到地質災害監測系統中,在無線網絡中可隨意增加或刪除終端節點數,增加了地質災害監測的靈活性,擴寬了地質災害監測面積,降低了整體系統的功耗,節約了系統成本,提高了地質災害監測系統的實時性和可靠性,可在地質災害監測中加以推廣。

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