基于Lora技术的微震能量检测系统——以佛子岭水库大坝为例

基于Lora技术的微震能量检测系统——以佛子岭水库大坝为例

秦英杰 孙赑 常山 谢泽宇

（安徽科技学院）

【摘要】：随着微震监测技术的迅速发展，国内外在微震稳定性研究领域取得了一系列进展。本文介绍了国内外背景和行业现状，分析了现有微震能量检测系统的优缺点，并探讨了微震能量检测系统的研究意义和发展潜力。基于LoRa技术的微震能量检测系统具有低功耗长距离通信、适用于偏远地区、成本效益高等优势。未来发展趋势包括智能化、多传感器融合、区域网络优化、数据可视化和应用拓展。这些研究对于提高微震活动监测的精确性和实时性具有重要意义。

【关键词】：微震监测技术；佛子岭水库；Lora技术

【中图分类号】          【文献标识码】   

A microseismic energy detection system based on Lora technology: A case study of Foziling Reservoir Dam

QIN Yingjie, SUN Bi, CHANG Shan, XIE Zeyu

（Anhui Science and Technology University）

【Abstract】With the rapid development of microseismic monitoring technology, a series of progress has been made in the field of microseismic stability research at home and abroad. In this paper, the background and industry status at home and abroad are introduced, the advantages and disadvantages of the existing microseismic energy detection system are analyzed, and the research significance and development potential of the microseismic energy detection system are discussed. The microseismic energy detection system based on LoRa technology has the advantages of low power consumption and long-distance communication, suitable for remote areas, and high cost-effectiveness. Future development trends include intelligence, multi-sensor fusion, regional network optimization, data visualization, and application expansion. These studies are of great significance for improving the accuracy and real-time monitoring of microseismic activity.

【Key words】Microseismic monitoring technology; Foziling Reservoir; Lora technology

1  研究背景及意义

1.1国内外背景

随着近年来微震监测技术的迅速发展，国内微震稳定性研究也取得了许多进展。目前，国内一些权威院校和科研机构，如中国科学院武汉岩土力学研究所、清华大学、中国地质大

学等，在微震监测技术方面进行了深入研究，并在实践中取得了一定的成果。

例如，中国科学院武汉岩土力学研究所通过对某些工程案例的实测和模拟分析，探究了微震信号与地下结构稳定性之间的关系，并提出了相应的改进方案，有效地提高了工程设计

的安全性和可靠性。此外，国内还有一些企事业单位也在微震稳定性研究方面投入了大量精力，如中铁建设集团、中国能源建设集团等，都在微震监测技术的研究和应用中发挥了重要作用。

相比之下，欧美等发达国家在微震监测技术方面的发展更为成熟，已经建立了相对完善的微震监测体系。在微震稳定性研究方面也非常活跃，许多知名高校和研究机构在此领域取

得了一些成果。例如，美国哥伦比亚大学、加拿大阿尔伯塔大学等，在微震监测谷仓、盐矿、

收稿日期：

作者简介：秦英杰（2003年—），男，安徽池州人，本科在读，建筑学专业。

基金项目：安徽省教育厅重点项目（2023AH051841）；安徽省大学生创新创业训练计划项目（S202310879158）

地下库房等工程中进行了深入研究，探索了微震信号与地下结构稳定性之间的联系，并提出了一系列科学有效的优化方案。

总体来看，虽然国内在微震稳定性研究方面还有一定的差距，但在技术发展和应用的推

广中不断努力，相信未来可以取得更大的进展。

1.2行业现状

微震能量检测系统的技术水平在不断提升，包括传感器技术、通信技术、数据处理和分析技术等方面。微震能量检测系统在地质勘探、地质灾害监测、地下水资源管理等领域得到广泛应用。国际上也有许多相关的研究和应用，各国之间进行着技术交流和合作。但是微震能量检测系统目前也存在着以下几个明显的缺陷：

1.精准度和可靠性：微震能量检测系统需要进一步提高数据采集的精准度和可靠性，以确保监测结果的准确性。

2.实时性和灵敏度：微震能量检测系统需要提高实时监测的能力和灵敏度，及时发现和预警地质灾害和地下资源变化。

3.成本效益：微震能量检测系统的部署和运维成本较高，需要降低成本，提高系统的成本效益。

4.数据处理和分析：对于大量数据的处理和分析仍然是一个挑战，需要进一步发展高效的数据处理和分析算法。

5.标准化和规范化：微震能量检测系统需要建立统一的标准和规范，以保证不同系统之间的兼容性和数据的比较性。

1.3研究意义

1.现实意义：可以有效评估地震风险，为后续的防灾减灾工作提供科学依据，并且可以推进微震技术的应用，加快安徽省的水利发展。

2.提高地震风险评估能力：佛子岭水库周边地区地质构造复杂，地震活动频繁，存在一定的地震灾害风险。通过对该地区微震信号进行稳定性分析，可以全面了解佛子岭水库周围地区地下结构和地震活动情况，提高灾害防范和减灾能力。

3.推进微震技术应用：微震技术在地质勘探、天然气开采等领域已经得到广泛应用，但其稳定性问题仍需深入研究。本项目将探索微震信号的稳定性规律和机理，进一步推进微震技术的发展和应用。

4.丰富数字孪生技术应用场景：数字孪生技术可以将现实世界的物理系统建模成数字形式，支持科学研究和决策。本项目将结合佛子岭水库周围地质构造和微震数据，开展微震信号模拟研究，有助于丰富数字孪生技术的应用场景。

2  研究对象

佛子岭水库，第八批全国重点文物保护单位。佛子岭水库是中国淮河流域的大型山谷水库，在安徽省西部霍山县南17公里的淠河上游。淠河发源于大别山区，是淮河的主要支流之一。山区降水丰沛，夏、秋山洪不易宣洩，常常氾滥。山水涌到下游正阳关入淮，淮河干流也受到极大威胁。1952年1月开始修建，1954年11月佛子岭水库竣工，大坝长510米，由20个垛21个拱组成，坝址以上集水面积1840平方公里，总库容5亿立方米。 建库65年来,佛子岭水库与上游的磨子潭水库、白莲崖水库累计拦截大小洪水230余次，年均拦蓄1500立方米每秒以上的洪峰达2次以上。与响洪甸水库联合调度,灌溉面积达660万亩,同时承担向安徽省合肥市等中心城市供水的重任,每年输水约1.5亿立方米,为城市发展与人民生活水平提高作出了巨大的贡献。同时，佛子岭电站的建成，为皖西提供了绿色环保的电力能源。佛子岭水库防洪、灌溉、城市供水、发电四大效益十分突出，为流域经济社会发展和民生改善发挥了重要作用。

3 项目产品和技术方案

3.1 项目简介

LoRa技术全称为远距离无线电(Long RangeRadio)技术, LoRa通讯是Semtech旗下的低功耗广域物联网通信技术，基于扩频技术的-种无线传输技术，LoRa扩频通讯网络信号可连接多个设备，并可以同时采集多台报警数据。

基于Lora技术，建立佛子岭水库周围地区微震能量检测系统。通过本项目可以实时监测佛子岭水库的微震活动，当微震事件超过预定的阈值时，则触发报警机制，我们便可及时采取相应的应急响应措施，保障水库安全。

确定采集系统的硬件设备和软件平台，例如传感器类型、数据采集设备、数据存储方式等；选择合适的位置安装微震传感器，确保传感器能够准确地监测到微震信号；确保采集系统与网络连接稳定，以便实时传输数据或定期下载数据；编写程序或使用现有软件对微震数据进行采集、处理和存储，确保数据的准确性和完整性。

3.2 技术方案

传感器部署：在需要监测的区域内部署LoRa传感器节点。这些传感器节点可以是加速度计、地震传感器或其他类型的传感器，用于检测微震事件。

数据采集：传感器节点会采集微震事件的数据，通常是地震信号的振动数据。这些数据会被传输到LoRa网络中。

数据传输：通过LoRa无线网络将采集到的数据传输到基站或者网关。LoRa技术可以实现长距离的数据传输，并且具有低功耗特性，适合用于远程传感器监测。

数据处理：基站或者网关收到数据后，可以进行数据处理和分析。这可能包括对微震信号的频率特征进行提取和分析。

频率检测：在数据处理过程中，可以使用信号处理技术（如傅立叶变换）来检测微震事件的频率特征。这可以帮助确定微震事件的发生以及其频率信息。

报警或数据传输：一旦检测到微震事件或者特定频率的地震信号，系统可以触发报警或者将数据传输到监控中心或者云端服务器进行进一步处理和分析。

通过以上步骤，利用LoRa技术可以实现对微震频率的检测，并且能够远程监测微震事件，适用于需要长距离、低功耗的微震监测应用场景。

3.3 系统总站工作原理

Step1.根据LoRaWan协议，系统总站构建了一个区域网，并为子站分配了编号。总站可以自动剔除和添加子站系统单元，使得大单元之间能够实现有效的通信。

Step2.完成系统组网链接后，子站通过LoRa模块实现数据传输，检测到微震事件的频率并且在公式编程下，将其发送至总站，总站根据收到的信息，根据是否达到设定阈值，采取相应的应急措施，以确保水库安全，如图1所示。

图1 系统总站工作原理图

3.4 系统子站工作原理

系统子站工作原理图如图2所示。

图2 系统子站工作原理图

3.5 系统工作流程

当检测系统开始工作时，会持续对检测范围内的微震活动进行实时检测，进行数据的分析和处理。当探测到的微震能量等级不足以到达设定阈值的危险左邻域范围，属于正常的微震活动，只会进行相关的数据收集和储存；当探测的微震能量等级到达设定阈值的危险左邻域范围内时，此时系统会加强对微震活动的持续检测；当探测到微震能量等级达到阈值时，会立刻报警，并且会将信息反馈给总站，并且相关的软件会自动提示预警，以便及时的采取应急措施，保护水库的安全。

此外检测仪器的内部设有多个传感器节点，这样能够更有效的检测出微震活动的具体数据，大大增强了数据的准确性。内部的数据转换模块会将检测到的数据通过算法，在相关公式的计算下，得到微震等级的精确值。所有的检测数据都会自动存储到数据库中，这样可以为更新微震活动的能量等级检测系统提供最真实最重要的数据资料，如图3所示。

图3 系统工作流程图

3.6 不同种类检测系统分析

表1 不同种类检测系统表

3.7 项目技术优势分析

项目产品性能表；

表2 项目产品性能表

本项目产品相较于其他的智能垃圾桶有一下优势。

项目系统利用Lora组网实现微震活动区域化的能量检测，在复杂的环境中能够保持较高的灵敏度，抗干扰能力强。

项目系统可以设置属于自己网关，自行组建网络。

项目系统可实现远程信息传递、总站信息监控等基本功能，可有效的节约人力物力资源。

通过项目系统，可以实现自动化操作，包括自动开启和关闭传感器、警报、数据显示等。

项目系统利用太阳能电池板进行系统供电，能保证系统24h工作。

4 发展潜力

4.1 发展潜力

1.低功耗长距离通信：LoRa技术具有低功耗和长距离通信的特点[3]，能够实现在较远距离内的数据传输，而且无需频繁更换电池，这为微震能量检测系统的长期部署提供了可能性。

2.适用于远程和偏远地区：微震活动通常发生在偏远地区或人迹罕至的地方，LoRa技术的长距离通信特性使得微震能量检测系统可以部署在这些地区，实现对地质活动的实时监测。

3.成本效益高：LoRa技术相对于其他无线通信技术来说成本较低，而且维护成本也相对较低，这使得基于LoRa技术的微震能量检测系统在大规模部署时具有明显的成本优势。

4.数据传输安全性：LoRa技术支持数据加密和认证功能，可以保障数据传输的安全性，防止数据被恶意篡改或窃取，这对于微震能量检测系统来说至关重要。

5.可扩展性：LoRa技术的网络拓扑结构具有较强的可扩展性，可以支持大规模的传感器节点接入，这意味着微震能量检测系统可以根据需要灵活扩展和升级。

4.2 发展趋势

1.智能化和自动化：未来的微震能量检测系统可能会更加智能化和自动化，利用机器学习和人工智能技术对数据进行实时分析和处理，实现对地质活动的智能识别和预警。

2.多传感器融合：随着技术的发展，微震能量检测系统可能会集成多种传感器，如加速度计、压力传感器、声波传感器等[4]，以提供更全面的地质活动监测和分析能力。

3.区域网络优化：LoRa技术的网络拓扑结构和协议可能会得到进一步优化，以实现对大范围区域的覆盖和监测，同时提高系统的稳定性和可靠性。

4.数据可视化和远程管理：未来的微震能量检测系统可能会提供更多的数据可视化功能，让用户可以直观地了解地质活动的情况，并支持远程管理和监控，实现对系统的远程配置和控制。

5.应用拓展：除了地质活动监测，基于LoRa技术的微震能量检测系统还有望在其他领域得到应用拓展，如建筑结构监测、环境监测等，为社会各个领域提供更多的数据支持和安全保障。

5总结

近年来，随着微震监测技术的快速发展，国内外对微震稳定性研究取得了显著进展。国内权威机构和企事业单位在微震监测技术方面进行了深入研究和应用，取得了一定成果。然而，现有微震能量检测系统仍存在精准度、实时性、成本效益等方面的不足。因此，基于LoRa技术的微震能量检测系统应运而生，其具有低功耗长距离通信、适用于偏远地区、成本效益高、数据传输安全等优势。未来，微震能量检测系统有望智能化、多传感器融合、区域网络优化、数据可视化、应用拓展等发展趋势，为地质活动监测和灾害预警提供更加可靠的技术支持。

参考文献：

[1]佛子岭水库——除害兴利  功标青史[J].中国防汛抗旱,2020,30(08):2.

[2]王福鹏.水利工程建筑结构设计概要[J].中国建设信息化,2021(18):64-65.

[3]王芳.基于LoRa和4G/5G的天馈线监测系统研究[J].广播电视信息,2021,28(10):78-80.

[4]李欣,高山林,王涵等. 基于LoRa技术的智能监测系统设计与实现 [J]. 海军工程大学学报, 2024, 36 (01): 15-21+28

[5]曾晓洋,黎明,李志宏等. 微纳集成电路和新型混合集成技术 [J]. 中国科学:信息科学, 2016, 46 (08): 1108-1135.