有人物聯(lián)網(wǎng)借助LoRa?賦能建筑工地智能化管理

建筑行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)中重要的物質(zhì)生產(chǎn)部門和支柱性產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)增長和創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)起著關(guān)鍵的作用。作為如此重要的一個(gè)行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)在建筑行業(yè)的應(yīng)用才剛剛起步，諸如LoRa®等物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)將給建筑業(yè)發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)。

提到建筑行業(yè)，大家首先就會(huì)想到各種大中型的施工現(xiàn)場(chǎng)，其中包括大量的施工人員、設(shè)備、建筑材料和公用設(shè)施，以及由政府和企業(yè)安裝的各種傳感器。在這樣的場(chǎng)景中，涉及到人員安全和活動(dòng)區(qū)域管理、設(shè)備和建材的資產(chǎn)管理與追蹤、設(shè)備運(yùn)行與環(huán)境監(jiān)測(cè)、公用設(shè)施的使用與狀態(tài)監(jiān)測(cè)……因此，大中型施工現(xiàn)場(chǎng)是最理想的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，但其場(chǎng)景復(fù)雜性和多樣性也給多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

為有效解決施工現(xiàn)場(chǎng)存在的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，智慧工地應(yīng)運(yùn)而生。而LoRa作為一種發(fā)展較早、應(yīng)用非常成熟且擁有龐大生態(tài)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，憑借其遠(yuǎn)距離、低功耗、快速組網(wǎng)和易于部署等特點(diǎn)已被許多廠商應(yīng)用于智慧工地，為建筑業(yè)提供了全新的管理手段。同時(shí)，LoRa的不斷創(chuàng)新為智慧工地添加了新的工具，例如LoRa Edge?室內(nèi)外綜合定位技術(shù)，可為施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、設(shè)備、建筑材料等等提供強(qiáng)大的定位功能，為智慧工地創(chuàng)新提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。

智慧工地通過應(yīng)用LoRa等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人、機(jī)、料、法、環(huán)等資源進(jìn)行集中管理，從而實(shí)現(xiàn)了管理的智能化和自動(dòng)化。環(huán)境復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)隱藏著人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)事故就會(huì)帶來巨大損失;諸如升降機(jī)、塔吊等大型設(shè)備也是高發(fā)事故危險(xiǎn)源，具有點(diǎn)多、線長和面廣等特點(diǎn)，單靠人力巡檢排查，工作效率低，且難以做到全過程、全方位的監(jiān)督管理，容易出現(xiàn)監(jiān)管漏洞。此外，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵和噪聲監(jiān)測(cè)，以及施工現(xiàn)場(chǎng)的水電等公用設(shè)施使用等，都存在周期長、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，依靠人工測(cè)量的傳統(tǒng)方式，耗費(fèi)大量人力且效率低下，記錄的數(shù)據(jù)缺乏客觀性及說服力。因此，如何利用LoRa等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理、降低事故發(fā)生頻率、杜絕各種違規(guī)操作和不文明施工、提高建筑工程質(zhì)量、降低資源消耗和費(fèi)用，成為建筑行業(yè)亟待解決的難題。

濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司(以下簡稱“有人物聯(lián)網(wǎng)”)作為一家業(yè)界領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商，通過采用Semtech的LoRa通信芯片，開發(fā)出了LoRa通信模組和組網(wǎng)設(shè)備，通過其定制開發(fā)的私有通信協(xié)議，助力智慧工地實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)及大型設(shè)備監(jiān)控;并可以根據(jù)建筑監(jiān)管部門的要求和建筑施工單位的需求，為其定制各種基于LoRa的智慧建筑工地解決方案。

在有人物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化解決方案中，通過利用LoRa器件，使施工現(xiàn)場(chǎng)的各類設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，各類設(shè)備分區(qū)管理，各自形成自己的局域網(wǎng)，互不影響通信;監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集中上傳服務(wù)平臺(tái)，施工單位既可以局域監(jiān)控也可以后臺(tái)總覽，方便實(shí)時(shí)查看和分析。如下圖所示：

通信方式的分類及選擇

在上述的應(yīng)用中，LoRa分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和組網(wǎng)通信，用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控要求，選用合理的LoRa通信方式。兩個(gè)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景可選擇點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，例如升降機(jī)監(jiān)控，每組點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信設(shè)備都有自己唯一的應(yīng)用ID，只有應(yīng)用ID相同的設(shè)備才能互相通信，對(duì)外的數(shù)據(jù)傳輸由特定的控制臺(tái)負(fù)責(zé)。

多點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控集中匯總上傳的場(chǎng)景應(yīng)選擇組網(wǎng)通信，例如塔機(jī)監(jiān)控、電氣監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控。每個(gè)組網(wǎng)場(chǎng)景都有自己獨(dú)立的應(yīng)用ID，終端上電后廣播應(yīng)用ID，對(duì)應(yīng)應(yīng)用ID相同的網(wǎng)關(guān)會(huì)有響應(yīng);隨后，終端入網(wǎng)有響應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，形成自己的局域網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備只能在局域網(wǎng)內(nèi)通信，對(duì)外都由網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信。

具體應(yīng)用場(chǎng)景詳解

· 升降機(jī)控制

圖：方案架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)利用LoRa技術(shù)采集升降機(jī)的各類安全指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)升降機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，異常事件可及時(shí)報(bào)警。具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：升降機(jī)位置監(jiān)測(cè)、升降速率監(jiān)測(cè)、升降機(jī)電梯門狀態(tài)、升降機(jī)運(yùn)行負(fù)荷等參數(shù)。

該場(chǎng)景采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，一個(gè)升降機(jī)上有兩個(gè)電梯籠，對(duì)應(yīng)兩個(gè)控制臺(tái)，控制臺(tái)和升降機(jī)采用一主一從的LoRa通信方式。該通信方式與傳統(tǒng)有線通信相比，采用無線遠(yuǎn)程控制，更安全;現(xiàn)場(chǎng)施工更方便;人工成本更低。

LoRa通信設(shè)備在該場(chǎng)景應(yīng)用的主要特點(diǎn)：

? 一主一從

一個(gè)控制臺(tái)只能控制一個(gè)電梯籠升降，LoRa通信在這里只做數(shù)據(jù)透傳，每組設(shè)備都有自己唯一的ID編碼，只有ID相同的兩個(gè)LoRa設(shè)備能夠互相透傳數(shù)據(jù);設(shè)備間各自獨(dú)立工作，使用方便、操作簡單、不混淆，通信實(shí)時(shí)性更高。

? 實(shí)時(shí)性高

控制臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)獲取升降機(jī)的狀態(tài)信息(包括當(dāng)前位置、工作狀態(tài)、安全檢測(cè)等)，并能隨時(shí)控制升降機(jī)上下升降及停止，實(shí)時(shí)性控制在200ms以內(nèi)。在異常情況下，當(dāng)出現(xiàn)通信中斷時(shí)，800ms以內(nèi)立即停止。

? 穿透力強(qiáng)

施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、遮擋物多，傳統(tǒng)433MHz無線通信網(wǎng)絡(luò)穿透能力無法滿足需求;而LoRa具有接收靈敏度高和發(fā)射功率高的特點(diǎn)，穿透能力強(qiáng)勁;施工現(xiàn)場(chǎng)樓層平均18層左右，空中傳輸速率11Kbps，通信毫無壓力。

? 抗干擾能力強(qiáng)

施工現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備多，噪聲和干擾信號(hào)也多。LoRa通信最大能夠接收到底噪下-20dB的信號(hào)，且支持前向糾錯(cuò)編碼，因此抗干擾能力出色。有人物聯(lián)網(wǎng)的LoRa設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)干擾因素，通過“監(jiān)測(cè)-反饋-再監(jiān)測(cè)”的規(guī)避干擾機(jī)制，有效避免數(shù)據(jù)干擾，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)同時(shí)能夠滿足100個(gè)LoRa設(shè)備實(shí)時(shí)通信。

圖：升降機(jī)實(shí)景展示

· 塔機(jī)安全監(jiān)控

圖：方案架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)利用LoRa技術(shù)實(shí)時(shí)采集塔機(jī)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，異常事件可及時(shí)發(fā)送報(bào)警通知到服務(wù)平臺(tái)。具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：重量、力矩、幅度、回轉(zhuǎn)、高度、傾角1、傾角2、風(fēng)速、告警或預(yù)警信息。

該場(chǎng)景涉及到多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集，各個(gè)傳感器又分布在塔機(jī)的各個(gè)位置，且需要后臺(tái)監(jiān)控或平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，只采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式無法滿足需求，此時(shí)需要采用組網(wǎng)方式對(duì)局域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。

LoRa組網(wǎng)通信又分為私有組網(wǎng)和LoRaWAN組網(wǎng)，相較而言，私有組網(wǎng)更方便、易部署、成本低、通用性強(qiáng)、更適合私有開發(fā);LoRaWAN組網(wǎng)可支持的掛載設(shè)備多，需要搭配LoRaWAN服務(wù)器使用。對(duì)于塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)來說，局域內(nèi)監(jiān)控，設(shè)備數(shù)量不多，私有組網(wǎng)更具優(yōu)勢(shì)。

私有組網(wǎng)設(shè)備在該場(chǎng)景應(yīng)用的主要特點(diǎn)

? 多通道組網(wǎng)通信

網(wǎng)關(guān)支持多通道通信，一個(gè)管理通道，多個(gè)數(shù)據(jù)通道，終端設(shè)備需通過管理信道先入網(wǎng)，統(tǒng)一由網(wǎng)關(guān)管理;入網(wǎng)后，網(wǎng)關(guān)根據(jù)接收終端的RSSI值推出鏈路預(yù)算，并合理分配通信信道和速率，終端設(shè)備按照網(wǎng)關(guān)分配的數(shù)據(jù)通道和速率進(jìn)行通信。

? 輪詢采集+報(bào)警

該場(chǎng)景中，網(wǎng)關(guān)采用輪詢采集模式，網(wǎng)關(guān)可設(shè)置采集規(guī)則，包括采集數(shù)據(jù)、采集周期等，自動(dòng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)通過4G上傳至后臺(tái)或云平臺(tái)。終端設(shè)備支持報(bào)警信息隨時(shí)上傳，檢測(cè)到數(shù)據(jù)信道的數(shù)據(jù)交互過多時(shí)，可設(shè)置終端通過管理信道上傳報(bào)警信息，避免數(shù)據(jù)撞包。

“借助Semtech的LoRa器件，我們?yōu)榻ㄖI(yè)智慧工地應(yīng)用開發(fā)了通信模組和組網(wǎng)設(shè)備，以及定制開發(fā)的私有通信協(xié)議，可對(duì)智慧工地的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)并大型設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高了施工現(xiàn)場(chǎng)的智能化和自動(dòng)化管理水平，減少了人工檢查，降低了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)?！庇腥宋锫?lián)網(wǎng)CEO古欣說，“作為一家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商，有人物聯(lián)網(wǎng)將基于LoRa和建筑行業(yè)的需要，不斷為更多領(lǐng)域開發(fā)出領(lǐng)先的解決方案，助力行業(yè)的智能化發(fā)展?！?

“很高興看到有人物聯(lián)網(wǎng)為智慧工地推出多種基于LoRa的解決方案，使LoRa的垂直應(yīng)用領(lǐng)域得以不斷擴(kuò)展。建筑行業(yè)作為LoRa的一個(gè)全新應(yīng)用場(chǎng)景，憑借其自組、安全、可控的特點(diǎn)，可顯著改善施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，極大地降低了風(fēng)險(xiǎn)，提高了效率?！盨emtech中國區(qū)銷售副總裁黃旭東表示，“LoRa擁有經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)和成熟的生態(tài)系統(tǒng)，這將為中國諸多行業(yè)的智能化管理提供支持與幫助，我們期待更多的合作伙伴開發(fā)出基于LoRa的創(chuàng)新解決方案。”