Semtech - 有人物联网借助LoRa®赋能建筑工地智能化管理

    建筑行业是我国国民经济中重要的物质生产部门和支柱性产业之一，对我国国民经济增长和创造就业机会起着关键的作用。作为如此重要的一个行业，物联网在建筑行业的应用才刚刚起步，诸如LoRa  等物联网连接技术将给建筑业发展带来巨大的推动。

    提到建筑行业，大家首先就会想到各种大中型的施工现场，其中包括大量的施工人员、设备、建筑材料和公用设施，以及由政府和企业安装的各种传感器。在这样的场景中，涉及到人员安全和活动区域管理、设备和建材的资产管理与追踪、设备运行与环境监测、公用设施的使用与状态监测……因此，大中型施工现场是  理想的物联网应用场景，但其场景复杂性和多样性也给多数物联网技术带来了巨大的挑战。

    为有效解决施工现场存在的痛点和难点，智慧工地应运而生。而LoRa作为一种发展较早、应用非常成熟且拥有庞大生态系统的物联网技术，凭借其远距离、低功耗、快速组网和易于部署等特点已被许多厂商应用于智慧工地，为建筑业提供了全新的管理手段。同时，LoRa的不断创新为智慧工地添加了新的工具，例如LoRa Edge  室内外综合定位技术，可为施工现场的人员、设备、建筑材料等等提供强大的定位功能，为智慧工地创新提供强大的推动力。

    智慧工地通过应用LoRa等物联网技术，对施工现场的人、机、料、法、环等资源进行集中管理，从而实现了管理的智能化和自动化。环境复杂的施工现场隐藏着人员伤亡的风险，一旦出现事故就会带来巨大损失；诸如升降机、塔吊等大型设备也是高发事故危险源，具有点多、线长和面广等特点，单靠人力巡检排查，工作效率低，且难以做到全过程、全方位的监督管理，容易出现监管漏洞。此外，对施工现场的扬尘和噪声监测，以及施工现场的水电等公用设施使用等，都存在周期长、数据量大的特点，依靠人工测量的传统方式，耗费大量人力且效率低下，记录的数据缺乏客观性及说服力。因此，如何利用LoRa等物联网技术来加强施工现场安全管理、降低事故发生频率、杜绝各种违规操作和不文明施工、提高建筑工程质量、降低资源消耗和费用，成为建筑行业亟待解决的难题。

    济南有人物联网技术有限公司（以下简称“有人物联网”）作为一家业界  的物联网解决方案提供商，通过采用Semtech的LoRa通信芯片，开发出了LoRa通信模组和组网设备，通过其定制开发的私有通信协议，助力智慧工地实现环境监测及大型设备监控；并可以根据建筑监管部门的要求和建筑施工单位的需求，为其定制各种基于LoRa的智慧建筑工地解决方案。

    在有人物联网的现有标准化解决方案中，通过利用LoRa器件，使施工现场的各类设备实现联网监控，各类设备分区管理，各自形成自己的局域网，互不影响通信；监控数据集中上传服务平台，施工单位既可以局域监控也可以后台总览，方便实时查看和分析。如下图所示：

    通信方式的分类及选择

    在上述的应用中，LoRa分为点对点通信和组网通信，用户可根据现场设备监控要求，选用合理的LoRa通信方式。两个点之间数据传输的场景可选择点对点通信，例如升降机监控，每组点对点通信设备都有自己  的应用ID，只有应用ID相同的设备才能互相通信，对外的数据传输由特定的控制台负责。

    多点数据监控集中汇总上传的场景应选择组网通信，例如塔机监控、电气监控和环境监控。每个组网场景都有自己独立的应用ID，终端上电后广播应用ID，对应应用ID相同的网关会有响应；随后，终端入网有响应的网关，形成自己的局域网络，终端设备只能在局域网内通信，对外都由网关负责数据通信。

    具体应用场景详解

    l升降机控制

    图：方案架构

    现场利用LoRa技术采集升降机的各类安全指标，实时监测升降机运行状态，异常事件可及时报警。具体监测内容包括：升降机位置监测、升降速率监测、升降机电梯门状态、升降机运行负荷等参数。

    该场景采用的是点对点通信方式，一个升降机上有两个电梯笼，对应两个控制台，控制台和升降机采用一主一从的LoRa通信方式。该通信方式与传统有线通信相比，采用无线远程控制，更安全；现场施工更方便；人工成本更低。

    LoRa通信设备在该场景应用的主要特点：

      一主一从

    一个控制台只能控制一个电梯笼升降，LoRa通信在这里只做数据透传，每组设备都有自己  的ID编码，只有ID相同的两个LoRa设备能够互相透传数据；设备间各自独立工作，使用方便、操作简单、不混淆，通信实时性更高。

      实时性高

    控制台能够实时获取升降机的状态信息（包括当前位置、工作状态、安全检测等），并能随时控制升降机上下升降及停止，实时性控制在200ms以内。在异常情况下，当出现通信中断时，800ms以内立即停止。

      穿透力强

    施工现场环境复杂、遮挡物多，传统433MHz无线通信网络穿透能力无法满足需求；而LoRa具有接收灵敏度高和发射功率高的特点，穿透能力强劲；施工现场楼层平均18层左右，空中传输速率11Kbps，通信毫无压力。

      抗干扰能力强

    施工现场电气设备多，噪声和干扰信号也多。LoRa通信  能够接收到底噪下-20dB的信号，且支持前向纠错编码，因此抗干扰能力出色。有人物联网的LoRa设备能够实时监测干扰因素，通过“监测-反馈-再监测”的规避干扰机制，有效避免数据干扰，现场实测同时能够满足100个LoRa设备实时通信。

    图：升降机实景展示

    l塔机安全监控

    图：方案架构

    现场利用LoRa技术实时采集塔机数据和状态，异常事件可及时发送报警通知到服务平台。具体监测内容主要包括：重量、力矩、幅度、回转、高度、倾角1、倾角2、风速、告警或预警信息。

    该场景涉及到多个传感器的数据采集，各个传感器又分布在塔机的各个位置，且需要后台监控或平台进行实时采集和控制，只采用点对点方式无法满足需求，此时需要采用组网方式对局域内的所有节点进行管理。

    LoRa组网通信又分为私有组网和LoRaWAN组网，相较而言，私有组网更方便、易部署、成本低、通用性强、更适合私有开发；LoRaWAN组网可支持的挂载设备多，需要搭配LoRaWAN服务器使用。对于塔机安全监控系统来说，局域内监控，设备数量不多，私有组网更具优势。

    私有组网设备在该场景应用的主要特点

      多通道组网通信

    网关支持多通道通信，一个管理通道，多个数据通道，终端设备需通过管理信道先入网，统一由网关管理；入网后，网关根据接收终端的RSSI值推出链路预算，并合理分配通信信道和速率，终端设备按照网关分配的数据通道和速率进行通信。

      轮询采集+报警

    该场景中，网关采用轮询采集模式，网关可设置采集规则，包括采集数据、采集周期等，自动对节点进行数据采集，节点返回的数据经由网关通过4G上传至后台或云平台。终端设备支持报警信息随时上传，检测到数据信道的数据交互过多时，可设置终端通过管理信道上传报警信息，避免数据撞包。

    “借助Semtech的LoRa器件，我们为建筑业智慧工地应用开发了通信模组和组网设备，以及定制开发的私有通信协议，可对智慧工地的环境进行监测，对并大型设备实时监控，从而提高了施工现场的智能化和自动化管理水平，减少了人工检查，降低了事故发生的风险。”有人物联网CEO古欣说，“作为一家业内  的工业物联网解决方案提供商，有人物联网将基于LoRa和建筑行业的需要，不断为更多领域开发出  的解决方案，助力行业的智能化发展。”

    “很高兴看到有人物联网为智慧工地推出多种基于LoRa的解决方案，使LoRa的垂直应用领域得以不断扩展。建筑行业作为LoRa的一个全新应用场景，凭借其自组、安全、可控的特点，可显著改善施工现场的管理，极大地降低了风险，提高了效率。”Semtech中国区销售副总裁黄旭东表示，“LoRa拥有经过验证的技术和成熟的生态系统，这将为中国诸多行业的智能化管理提供支持与帮助，我们期待更多的合作伙伴开发出基于LoRa的创新解决方案。”