基于 LoRa 的智慧水务系统

0 引 言

国家“十三五”规划纲要提出，以基础设施智能化、公共服务便利化、社会治理精细化为重点，充分运用现代信息技术和大数据，建设新型智慧城市。而“发展智能水务，构建覆盖供水全过程、保障供水质量安全的智能供排水和污水处理系统”是实现智慧城市基础设施智能化的一个重要举措，对于如何将海量水务信息进行及时分析与处理，并做出相应的处理结果辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程，从而达到“智 慧”的状态是目前比较热门的研究课题。采用基于全球低功耗广域网（LoRa Wide Area Network，LoRaWAN）技术的智慧水务系统可通过数采仪、无线网络、水质水压表等在线监测设备实时感知城市供排水系统的运行状态，并采用可视化的方式有机整合水务管理部门与供排水设施，形成“城市水务物联网”，从而满足智慧城市设施智能化、治理精细化的诉求。

1 LoRa 智慧水务系统的技术优势

传统的水务信息（流量、水压、水质、水位等参数）均依靠人工采集，工作难度大且效率较低。虽然近年来云计算、大数据及物联网等信息技术的发展给水务行业的应用和管理模式带来了较大变革，但是采集数据质量不高、各模块之间的数据未形成互联互通，且未实现资源共享，信息孤岛严重仍是目前智慧水务系统发展的瓶颈。本文所述智慧水务系统采用 LoRa 技术，利用 LoRa 窄带物联网智能终端实现对流量、水压、水质、水位甚至温度等数据的精细收集，并将这些采集到的海量数据传输到大数据平台进行分析处理，辅助管理系统做出决策，以达到水务供排治一体管控、消防水实时监测与循环利用、雨水高效收集回用、分散式污水治理等目标。实现过程可感知，效果可量化，运行智慧化的“智慧”状态。

LoRa 是低功耗广域网通信技术中的一种，其优势在于技术方面的长距离能力，具备高性能、远距离、低功耗，支持大规模组网等突出特点，非常适合智慧水务中某些对环境条件比较严苛的场景，如海域水务信息的监测等。另外，LoRa工作在1 GHz以下的非授权频段，应用时无需额外付费，成本低，不受电信运营商的制约，可随时随地组网。

2 基于 LoRa 技术的智慧水务系统

基于 LoRa 技术的智慧水务系统运用 LoRa 高性能、远距离、低功耗、支撑大规模组网等特点，实现对水务信息如流量、水压、水质、水位等参数的采集，将采集到的海量水务数据和状态信息进行及时分析、处理，实现科学性的动态管理，从而提升水务运营的管理效率与服务水平。

2.1 系统结构

基于 LoRa 技术的智慧水务系统架构如图 1 所示，主要包含感知层、传输层、平台层及应用层。

感知层集成了 LoRa 模组的传感器装置，用以采集流量、水压、水质、水位等水务数据及状态，通过 LoRa 模组与无线网络进行通信。

传输层采用先进的 LoRaWAN 广域通信技术，利用其处理干扰、网络重叠、可伸缩性的优势保障数据的高可靠性。

平台层拥有丰富的协议适配能力，支持海量终端设备接入，基于统一规约和接口，实现不同类型终端设备及不同应用平台统一接入和管理，确保互联互通。

应用层是在服务器上运行的水务管理平台，管理员可在PC 终端、手机 APP 等通过 Internet 经身份验证后进行远程数据查询和控制。

2.2 LoRaWAN 基站

LoRaWAN 基站专为快速部署低功耗广域网（LPWAN）而设计，具备易用耐用、性能可靠稳定、扩展性好、性能指标优异的特点，同时具备实时 WebSocket 和 OpenAPI RESTFul 两种接入方式。

任何符合 LoRaWAN 标准的通信终端都可轻松接入LoRaWAN 基站网关，并可通过自带的多业务平台，在云端对 LoRaWAN 基站和终端进行轻松配置和管理，实现运维界面和终端性能的可视化分析，结合高品质 LoRaWAN 基站网关，实现运营级 LPWAN 网络的稳定性能、品质服务和可靠运行。

LoRaWAN 基站将采集到的海量水务信息数据通过运营商网络传送至智慧水务管理平台，由管理平台进行相应的处理和操作。

2.3 LoRa 网络

网络是整个物联网的通信基础，本文系统基于 LoRa 网络承载，具有高性能、远距离、低功耗的特点，与其他 NBIoT 技术相比，LoRa 网络基于非授权频谱组建网络，频段在1 GHz 以下，传输距离长，成本低。

LoRa 具备以下几大特点，能满足智慧水务系统的需求。

（1）传输距离长 ：LoRa 工作在 1 GHz 以下的非授权频段，处于 500 MHz 和 1 GHz 之间的频段对于远距离通信是最优选择，可满足广阔海域的覆盖要求。

（2）低成本 ：LoRaWAN 使用免费的非授权频段，并且是异步通信协议，电池寿命长，无需对频谱进行额外付费，成本低。

（3）海量连接 ：LoRaWAN 接入的核心算法是 ALOHA协议，支持海量接入。

2.4 平台层

平台层提供连接管理、设备管理、数据管理、消息处理、大数据、机器学习能力开放等基础功能，支持多种物联网终端设备快速接入及各行业应用的快速集成，支撑客户聚焦应用和业务创新，平台提供感知层连接、诊断、控制等连接状态的查询及管理功能。平台层使用统一的标准、协议与应用层连接，兼容不同设备与连接协议的差异性，提供灵活高效的数据管理，包括数据采集、清洗、分类、结构化存储，大数据分析等，辅助做好决策。应用层采用业务模块化设计，不同的业务系统实现灵活的布排，满足行业应用的快速开发需求。物联网体系架构如图 2 所示。

2.5 智慧水务管理平台

智慧水务平台通过平台层及 LoRa 网络与感知设备建立连接，实现水务信息（如流量、水压、水质、水位等信息）的采集、传输、处理及控制。智慧水务管理平台可在 GIS 地图上标示每个监测点，并统计每个监测点的状态、功耗情况等信息，同时建立运行日志数据库，可永久保存数据。管理平台可对感知设备出现的故障及时提示、告警，并及时通知维护人员进行处置。另外，管理平台也可远程对 LoRa 模组进行软件升级更新。

3 应用案例

珠海横琴岛为建设智慧城市，在横琴岛海岸线、横琴望天台水库、上牛角水库和红旗村水库、内河等区域设置漂浮式自动监测站。自动监测站集成了基于 LoRa 模组的传感器，监测并采集水源流量、水压、水质、水位等信息。由于本文系统采用了 LoRa 网络，其接收灵敏度为 -142 dBm，比传统无线网络提高超 20 dB 的覆盖增益，信号穿透力强，传输距离长，满足广阔海域的覆盖要求。珠海横琴岛水源监控点位如图 3 所示。

本文系统通过 LoRa 网络及运营商网络将采集到的海量水务信息传送至云平台，通过管理平台对采集到的海量水务信息进行分析处理，并与其他管理系统进行数据共享，实现“取水制水”“供给水”“输配水”“雨水收集利用”“污水处理与利用”“消防智慧监控”“海绵城市防涝建设”等灵活调度，实现水资源的高效循环和利用。系统管理平台以云服务为主架构，搭配可扩充性的软件应用，使管理者通过电脑、手机即可随时随地进行状态查询和监测。同时，系统采用可视化管理和预测性维护，可有效降低运维成本。智慧水务管理平台如图 4 所示。

基于 LoRa 的智慧水务系统实现了对水务运行环境与状态的精细管理和实时感知，打造园区供排治“一张图”，构建园区全息化感知“智慧水联网”，为园区给排水运行安全提供保障，提高给水、排水运行效率，为防范漏损和爆管风险等提供多种支撑。

4 结 语

本文基于 LoRa 技术的智慧水务系统，利用运营商传输网络，结合大数据、云平台及应用场景丰富的管理平台，实现了海量水务信息的采集与处理，符合物联网智能、互联的需求。将 LoRa 技术应用于水务系统的智能化管理能够实现城市及市政服务能力的提升，是智慧城市的重要组成部分。