《Applied System Innovation》：Design and Implementation of a Remote Water Level Control and Monitoring System in Rural Community Tanks Using LoRa and SMS Technology
Ulises Balderrama-Rey,
Rafael Verdugo-Miranda,
Miguel Martínez-Gil,
Joel Carvajal-Soto,
Frank Romo-García,
Luis Medina-Zazueta,
Edgar Espinoza-Zallas and
Rolando Flores-Ochoa
编辑推荐：
本文提出了一种用于农村社区储水罐水位管理的低暴露式远程监测与控制系统的设计与实现。该系统旨在保障可靠供水、防止溢流、降低电能消耗，并减轻先前安装的高暴露商业系统所面临的盗窃与破坏风险。所提出系统采用LoRa技术，将储水罐中的水位数据传输至位于距水井6 km处的
本文提出了一种用于农村社区储水罐水位管理的低暴露式远程监测与控制系统的设计与实现。该系统旨在保障可靠供水、防止溢流、降低电能消耗，并减轻先前安装的高暴露商业系统所面临的盗窃与破坏风险。所提出系统采用LoRa技术，将储水罐中的水位数据传输至位于距水井6 km处的接收端。当水位降至预定义阈值以下时，系统通过LoRa网络发送启动信号，以开启井泵并触发储罐补水。此外，短信监测模块使用户能够在任意时刻远程核查水位与水泵运行状态。系统通知与运行数据可自动通过短信（SMS，Short Message Service）发送至预设电话号码，从而在无需互联网连接的条件下实现连续监督。
因此，所提系统的实施为农村环境中的水资源管理提供了一种高效且可靠的解决方案，可确保持续供水并防止供水短缺。LoRa通信实现了稳健的远距离数据传输，而基于短信（SMS）的监测则为终端用户提供了实时运行感知。该系统通过一个农村社区试点的现场测试得到验证，结果表明其具有运行稳健性、较高的水管理效率，并对居民供水服务连续性产生了可测量的积极影响。低暴露式物理设计显著降低了当地供水管理机构报告的盗窃与破坏事件。实验结果表明，在维持较高系统可靠性、物理安全性以及实时监测能力的同时，月均电能消耗降低了41.2%。
该文发表于《Applied System Innovation》，围绕农村社区供水场景中储水罐水位远程监测与控制的工程需求，提出并实现了一套基于LoRa与短信（SMS，Short Message Service）的低暴露式智能供水系统。研究背景在于，农村地区供水基础设施薄弱、水源点与储水设施分散、人工巡检与定时控制方式效率低，常导致供水不连续、储罐溢流、电能浪费及设备运行管理粗放等问题。与此同时，既有商业化监控装置由于外形暴露、结构显著，易遭受盗窃和人为破坏，在偏远地区尤其难以长期稳定运行。基于此，研究人员开展本研究，目的在于构建一种兼具远距离通信、低功耗、低基础设施依赖、远程告警和现场安全防护能力的水位控制系统，以改善农村供水连续性并提升运维效率。
从研究动因看，传统基于定时器的水泵控制方式并不依据实际用水需求动态调整运行状态，因此在低需求时段仍可能持续抽水，造成储罐溢流与不必要的能耗；而有线通信方案在井口与水塔相距数公里、且中间存在农田等复杂环境时，布线成本高、施工维护困难。尽管可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）和人机界面（HMI，Human–Machine Interface）等方案具备工业控制优势，但其成本和基础设施要求并不适合资源受限的农村社区。因此，研究人员将LoRa纳入低功耗广域网（LPWAN，Low-Power Wide Area Network）技术框架进行选型比较，认为其在非授权频谱下具备远距离、低功耗、低成本和较成熟生态等优势，适合实现6.4 km量级的点对点远程控制。另一方面，考虑到农村地区互联网接入条件有限，系统进一步引入短信（SMS）机制，以确保在无互联网条件下仍能实现状态查询与告警推送。
研究人员完成了系统的设计、装配、部署与现场验证，并形成两个版本迭代。版本1.0主要验证基本功能，包括水位检测与远程启停水泵；版本2.0在此基础上增加了水泵状态监测、报警机制和短信通知能力，从而构建起一套更完整的远程监测与控制平台。系统总体架构由储水罐侧与水井侧两部分组成：储水罐侧负责采集水位信息并经LoRa发送，水井侧作为接收与控制节点，接收远端数据后由ESP32微控制器执行逻辑判断，通过固态继电器控制水泵启停，并结合SIM800L模块向管理人员发送短信状态信息。此外，系统还整合了门磁传感器、噪声监测、供电状态监测和本地手动控制等功能，以增强物理安全与运行可维护性。研究表明，这种设计不仅解决了水位控制问题，也兼顾了设备防盗、防破坏及故障告警等实际运维需求。
研究采用的主要关键技术方法包括：以LoRa点对点（P2P，Point-to-Point）无线通信实现储罐与水井之间6.4 km远程数据传输；以ESP32为核心控制器构建自动启停逻辑与状态管理；以SIM800L GSM模块实现短信（SMS）远程查询与告警通知；以浮球式液位传感器、门磁传感器、噪声传感器和供电监测构建多参数监测体系；通过现场试点社区部署、长期运行记录与对比分析，对系统功能、可靠性、能耗和安全性进行验证。样本来源为墨西哥索诺拉州南部一个农村社区的实际供水场景，数据直接采自现场安装系统在2023年7月至2024年1月期间的运行记录。
以下结合论文结果部分的小标题，对研究结果进行归纳解读。
4. Results
结果部分总体显示，该远程水位监测与控制系统在农村社区试点中表现出较高的有效性、可靠性与可操作性。系统不仅能够依据水位自动控制井泵运行，而且能够在井口断电、现场门禁开启、异常噪声等情形下触发相应告警。研究人员指出，系统实现了供水控制与安全监测的一体化，使运行人员无需依赖持续在线的互联网平台，也可通过短信及时掌握设备状态。泵运行行为分析表明，系统启动频率和运行时长会随月份变化而改变，其中2023年7月因用水需求较高，出现了较高的“PUMP ON”持续时间和日均启动次数，反映出该系统能够对真实需求变化作出动态响应，而非固定时序运行。
4.1. System’s Time Analysis
在系统运行时间分析中，研究人员统计了2023年7月至2024年1月泵的平均活跃时间和启动次数。该部分结果说明，自动化控制下的泵运行并非恒定，而是与社区阶段性用水需求相适配。由此可见，系统能够通过液位反馈驱动供水策略变化，实现按需供水。这一机制是后续实现节能与减少溢流的关键基础。
4.2. System Energy Consumption (Timer)
研究将既有定时器系统作为对照。原系统按预设时段每日固定运行9 h，在水泵功率为11.19 kW条件下，日电能消耗恒定为100.71 kWh/d。论文指出，这种方式缺乏实时反馈控制，因此无论实际需水量高低，设备均保持固定能耗水平，并在低需求时期造成漏水和储罐溢流。该对照结果明确展示了传统定时控制在农村供水场景中的局限性。
4.3. Comparative Analysis of Systems
在系统比较分析中，研究人员将定时器方案与LoRa自动化控制方案进行能耗对比。结果显示，基于传感器与LoRa通信的自动系统具有明显更低的能耗水平。其原因在于，新系统根据用户实际需求自动决定抽水时机和持续时间，避免了传统方案中无效运行所带来的电力浪费。该比较直接证实，自动水位控制是降低社区供水系统运行成本的重要途径。
4.4. Energy Savings of the Implemented System
在节能效果分析中，论文给出了较为明确的量化结果。相较于原有固定时序控制，新的传感器控制系统可实现23.98%至52.38%的节能，平均月节能率为41.2%，标准差为9.36%。这表明该系统不仅具备节能能力，而且在不同月份和不同需求条件下均可保持较稳定的节能表现。该结果是全文最核心的技术与应用成效之一，说明系统已从“可用”进一步达到“高效可用”的水平。
4.5. Data Transmission Rate and Range
针对LoRa通信性能，研究人员重点说明了其在农村弱基础设施场景中的适用性。系统采用长距离传输配置：扩频因子SF = 12、带宽BW = 125 kHz、编码率CR = 4/5，获得数据速率R
b = 0.29 kbps。虽然该数据速率较低，但足以满足水位状态与控制命令等低带宽业务需求，并换取了6.4 km距离上的稳健通信能力。试点实施结果支持作者关于LoRa适用于农村供水远程监控的判断，说明在无需中间网关基础设施的情况下，点对点LoRa架构依然能够完成稳定控制。
5. Discussion
讨论部分强调，LoRa在该系统中的价值主要体现在远距离通信、远程控制能力、操作安全性提升以及基础设施成本降低等方面，尤其适用于有线部署困难的农村地区。研究期间记录到15次因现场断电而切换至后备电池连接的告警，以及73次因例行巡检或维护引发的开门信息，说明供电与门禁告警功能工作正常。论文同时指出，未出现未经授权进入控制电路区域的通知，提示在观测期内未发生相应入侵事件；噪声监测在超过40 dB阈值时能够准确激活并立即通知负责人。综合来看，这些结果证明系统不仅具备自动控制功能，也具有一定的安全监护与异常感知能力。研究人员进一步将本系统与文献中的PLC方案及依赖网关的LoRaWAN灌溉系统进行对比，指出本研究的改进之处在于：采用低功耗LoRa P2P架构，在无中间基础设施条件下稳定实现6.4 km通信，并通过低暴露式硬件设计降低被盗风险。该讨论建立在文中实测与部署经验基础上，体现出系统在偏远地区落地应用的现实针对性。
5.1. Economic Analysis and Return on Investment
经济分析部分表明，自动液位控制通过缩短泵的运行时间，带来显著的运行成本下降。研究根据约0.14 USD/kWh的平均电价估算，在测得的运行时间缩减基础上，日均节电约27.75 kWh，年节约成本约1422.2 USD。若以系统实施成本约3908.75 USD计，则投资回收期（ROI，Return on Investment）约为2.7年。该结果说明系统除具备技术可行性外，也具有较明确的经济合理性，为农村供水基础设施升级提供了量化依据。
5.2. Prospects for Further Research
虽然该部分主要涉及后续研究展望，但其内容仍揭示了本文系统的扩展潜力。研究人员认为，依托ESP32原生连接能力，未来可将当前点对点LoRa网络扩展为LoRaWAN，以支持多个水罐、水井或流量计节点统一接入中央网关；同时可将历史数据上传至云平台，开展趋势分析与报表生成，并为机器学习预测提供基础。此外，系统还可加入浊度、pH和余氯等水质传感器，形成更综合的水资源管理工具，或结合太阳能等能量采集系统提升偏远地区独立运行能力。不过这些内容在本文中属于前景讨论，而非已完成结果。
6. Conclusions
结论部分指出，本研究开发了一套面向农村社区高效、可靠水资源管理的综合监测与控制系统。系统利用LoRa技术实现稳健的远距离通信，并通过短信（SMS）向用户提供水泵与储罐的实时状态。该系统满足低功耗、小体积与可靠监测等目标，其中小型、隐蔽式设计是关键要求之一，因为既往暴露式商业解决方案经常遭遇盗窃和破坏。所提出方案证明了其在解决这一安全问题及改善水管理问题方面的有效性。基于传感器的控制机制可依据社区实际用水情况调节运行，避免缺水与溢流；系统对不同气候条件和使用模式具有适应性，也进一步提升了整体效能。综合节能、维护需求与初始成本分析，研究认为该系统投资可在较短期内回收，并具备向其他农村社区推广实施的可行性。
总体而言，这项发表于《Applied System Innovation》的研究以实际农村社区为试点，完成了从需求识别、技术选型、系统实现到现场验证的完整闭环，证明了低暴露式LoRa + SMS远程供水监控架构在偏远地区具有较强的工程应用价值。其核心贡献不在于复杂算法创新，而在于将长距离低功耗通信、短信告警、自动液位控制与现场安防机制有效耦合，并通过实地运行数据证明系统可同时提升供水连续性、降低能耗、增强物理安全性并减少运维依赖。这使该研究在农村供水数字化与智能化改造领域具有直接的实践参考意义。
