基于LoRa的學(xué)生宿舍智能抄表系統(tǒng)設(shè)計

雷 宇

（廣州市職業(yè)技術(shù)教研室，廣東廣州 510030）

0 引言

學(xué)生宿舍的水電表計量一直是學(xué)校管理的難點之一。由于學(xué)生住宿集中，水電表數(shù)量多，抄表工作量大，給學(xué)校后勤工作帶來了較大的壓力。近年來興起了多種智能抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能計費(fèi)、在線查詢等功能。有效地解決了人工抄表帶來的繁瑣等問題。

但是由于技術(shù)不成熟，也帶來一些問題。多數(shù)智能表依賴于有線網(wǎng)絡(luò)和電源。一臺智能水表需要一根電源線和一根通訊線，施工成本較高，且容易受到損壞。后期也有部分水表采用WiFi等方式走無線通信協(xié)議，但是由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，易受干擾，故障率高，系統(tǒng)運(yùn)維成本很高，甚至導(dǎo)致一些矛盾出現(xiàn)，給后勤工作帶來了困難。

低功耗物聯(lián)網(wǎng)接入模塊LORA的應(yīng)用為學(xué)生宿舍智能抄表系統(tǒng)提供了全新的解決方案，經(jīng)過試用解決了以前技術(shù)存在的問題，具有極高的推廣價值。

1 Lora概述

LoRa是一種采用擴(kuò)頻技術(shù)的無線傳輸通訊方案[1]，該方案解決了超遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，該方案工作在全球公共通訊頻段。平衡了超遠(yuǎn)距離和超低功耗，能夠提供具有遠(yuǎn)距離、長電池壽命、低延時、大容量等優(yōu)點的無線通訊解決方案。

選擇LoRa方案是因為智能抄表應(yīng)用中，數(shù)據(jù)吞吐量不大，而對于終端的持續(xù)在線運(yùn)行時間要求較高。LoRa能夠維持終端電池的使用時間長達(dá)數(shù)年，且通訊距離可達(dá)5 000 m，穿墻能力[2]。特別適用于智能抄表這類長距離小流量數(shù)據(jù)通信使用。

LoRa通訊方案由使用LoRa芯片的數(shù)據(jù)采集終端——智能表和LoRa集中器組成。采用簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，LoRa集中器作為中繼，鏈接使用中的終端端設(shè)備和后端服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)的IP6協(xié)議絡(luò)進(jìn)行連接，由于網(wǎng)關(guān)充當(dāng)透明中繼，終端設(shè)備可以和多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點可進(jìn)行雙向通信。

2 智能硬件

基于LoRa的智能水表、電表是在普通電子水表、電表的基礎(chǔ)上增加LoRa智能抄表模塊組成的。模塊的主MCU采用強(qiáng)大的STM8L單片機(jī)和LoRaTM無線擴(kuò)頻芯片組成，模塊集成了閥控電路、磁感應(yīng)、主副電壓控制、主電壓檢測電路以及水表、電表采集電路。各個功能的實現(xiàn)都是依據(jù)行業(yè)內(nèi)多年形成的標(biāo)準(zhǔn)，在水表、電表采集電路方面，可設(shè)置為光電采集、單干簧管采集和雙干簧管采集，并且雙干簧管有強(qiáng)磁干擾保護(hù)。在市場也已經(jīng)有很成熟的產(chǎn)品，可以方便定制、選購。

LoRa模塊具有遠(yuǎn)距離低功耗的特點，可以方便地在傳統(tǒng)電表、水表上改裝，在設(shè)計之初，已經(jīng)預(yù)計使用普通鋰電池即可實現(xiàn)長時間的運(yùn)行[3]。由于智能電表、水表需要增加執(zhí)行元件，會出現(xiàn)額外的功耗，因此需要另外尋求可靠的電源供給。

對于智能電表而言，由于工作于電路，通過整流穩(wěn)壓后可以獲得電池系統(tǒng)的穩(wěn)定電源供給。因此在電子電表上增加LoRa模塊和電池模塊能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸。由于LoRa的低功耗特性，可以保持在寒暑假期間，長達(dá)2～3個月斷電情況下，保持?jǐn)?shù)據(jù)刷新和控制使能。

對于智能水表，由于水力管道的特殊性和現(xiàn)場條件所限。如果給水表提供單獨(dú)電源供電成本較高。且對于技工院校學(xué)生，由于專業(yè)技能較高，存在一定的風(fēng)險。因此，采用了水力管道發(fā)電裝置作為LoRa模塊和電池模塊供電，并將裝置整合到水表中去。實現(xiàn)了獨(dú)立模塊，無損安裝，可適用于各種環(huán)境和老舊宿舍樓的改造，經(jīng)過測試，實現(xiàn)了持續(xù)運(yùn)行。

水力管道發(fā)電裝置利用嵌入水管的永磁體渦輪作為轉(zhuǎn)子，PVC管道外布置線圈。利用開關(guān)水流驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在PVC管道外的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過整流穩(wěn)壓后，供給電池充電系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能水表系統(tǒng)的持續(xù)供電。

圖1 系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)組成

LoRa技術(shù)采用星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，具有低延遲的最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；贚oRa的擴(kuò)頻芯片，可以實現(xiàn)水表、電表與集中器直接組網(wǎng)連接，構(gòu)成星形。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，應(yīng)用于智能水表、電表遠(yuǎn)程通信時無需中繼器，使用簡單的星形組網(wǎng)就可以建立LoRa微功率網(wǎng)絡(luò)，因此其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為典型的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

每個智能水表、電表終端，使用一個固定的硬件地址，并將硬件地址銘刻在智能電表、水表外殼上。在智能電、水表安裝以后，統(tǒng)計宿舍、位置和智能電表、水表的硬件地址。在工作站系統(tǒng)上進(jìn)行硬件匹配，即可工作。更換損壞的智能水表、電表也僅需重新匹配硬件地址和宿舍即可，系統(tǒng)配置靈活，操作便利。

一個集中器與多個智能水表、電表相連接，智能水表、電表表端的通信模塊上裝有LoRa模塊，將表端的數(shù)字信號調(diào)制為LoRa信號并發(fā)送至集中器，集中器上裝有LoRa模塊和有線網(wǎng)絡(luò)模塊，利用LoRa模塊將接收到的Lo?Ra信號解調(diào)處理，轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡(luò)信號并傳輸至基站，基站收到信息后進(jìn)一步通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央數(shù)據(jù)中心，也可不上傳。

理論上LoRa集中器可以連接62 500個節(jié)點，所以采用單一LoRa集中器即可組成智能抄表網(wǎng)絡(luò)，而且可以孤網(wǎng)運(yùn)行。由于LoRa傳輸距離遠(yuǎn)，穿墻能力強(qiáng)，一般一個宿舍組團(tuán)使用一個LoRa集中器即可，可以靈活布置LoRa集中器，具有架設(shè)網(wǎng)絡(luò)容易、成本低廉的特點。

4 工作模式

系統(tǒng)的工作方式主要有自動輪詢、節(jié)點主動上報、喚醒輪詢3種工作方式：

（1）自動輪詢可減少服務(wù)器負(fù)載量，只需通過簡單設(shè)置，LoRa網(wǎng)關(guān)可以自助下發(fā)數(shù)據(jù)。例如通過Modbus指令輪詢節(jié)點，無需服務(wù)器下發(fā)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量。適合智能表計及閘控、糧倉溫濕度監(jiān)控、Modbus輪詢應(yīng)用及產(chǎn)品改造等應(yīng)用領(lǐng)[6]。

（2）透傳數(shù)據(jù)工作模式。LoRa模塊可直接與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少有線連接的煩惱，只需LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa模塊負(fù)責(zé)透傳功能即可完成數(shù)據(jù)傳輸。適合不需要考慮功耗的控制類應(yīng)用領(lǐng)域，比如智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等。

（3）定時主動上報。定時上報就是為每個LoRa節(jié)點設(shè)置數(shù)據(jù)上報時間，通過定時節(jié)點喚醒用戶設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；適合煙感報警器、氣體檢測、垃圾桶檢測、智慧油田等應(yīng)用領(lǐng)域。

由于宿舍水表、電表的應(yīng)用數(shù)據(jù)量不大，對實時性要求不高，綜合考慮功耗等因素，選擇自動輪詢上報模式。多數(shù)時間里，智能水表、電表處于休眠狀態(tài)，并不上報數(shù)據(jù)。在設(shè)定的時間里，服務(wù)器通過LoRa集中器廣播模式發(fā)送某一地址段的水表、電表喚醒指令。此時在LoRa集中器信號覆蓋范圍內(nèi)的智能水表、電表都能收到喚醒指令。當(dāng)智能水表、電表收到喚醒指令后，進(jìn)行地址比對，如果地址不符，則丟棄指令包，繼續(xù)休眠。如果地址相符，則喚醒，向LoRa集中器發(fā)送包含水表地址信息、數(shù)據(jù)信息、時間信息的數(shù)據(jù)。智能水表、電表在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

集中器收到LoRa智能水表、電表發(fā)送的數(shù)據(jù)后，核對智能終端地址。如果相符，將智能終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器；如果地址與喚醒指令地址段不符，將數(shù)據(jù)丟棄。

服務(wù)器收到LoRa集中器發(fā)還的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫，用于后面的計費(fèi)等應(yīng)用。如果在特定的時間里，服務(wù)器仍未收到某地址的智能水表、電表反饋數(shù)據(jù)，將繼續(xù)喚醒查詢。如果查詢多次，沒有收到終端的上報數(shù)據(jù)，則向管理員報警，并進(jìn)行下一組智能水表、電表的喚醒查詢。

5 應(yīng)用與實際意義

在廣州市智慧社保的項目中，涉及廣州市屬技工院校6所技師學(xué)院的15個校區(qū)，僅宿舍水控表總數(shù)就達(dá)到了4 925臺。承接公司在部分校區(qū)，使用了LoRa技術(shù)。

LoRa技術(shù)的應(yīng)用，有效地降低了施工技術(shù)難度，縮短了施工時間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于可以不依賴Internet，系統(tǒng)運(yùn)行成本低、經(jīng)濟(jì)好。也可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，建立全市技工院校后勤管理大數(shù)據(jù)庫，配置方式靈活。LoRa智能水表、電表終端采用電池供電，同時又使用了電源進(jìn)行供電，設(shè)備的在線時間大大延長，可以實現(xiàn)終端免維護(hù)，整個系統(tǒng)可靠性高。在實際應(yīng)用中，經(jīng)歷了寒暑假長期斷水、斷電的考驗，所有智能水表、電表均能正常喚醒，上報數(shù)據(jù)。

同時由于LoRa協(xié)議的優(yōu)勢，系統(tǒng)具有抄表準(zhǔn)確、工作簡單、維護(hù)容易、抗干擾能力強(qiáng)等特點。即使在突發(fā)停電情況下，依然可以正常工作，可靠性強(qiáng)。具有雙向傳輸功能，可以實現(xiàn)部分控制使能。

在解決實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，由于LoRa協(xié)議的實時性，根據(jù)采集的水電表數(shù)據(jù)也拓展了抄表系統(tǒng)的應(yīng)用。跑冒滴漏一直是管道系統(tǒng)的老問題，由于LoRa協(xié)議的實時性，當(dāng)擁有了全樓可計量水表的實時數(shù)據(jù)時，也有了新的解決辦法。

如系統(tǒng)在學(xué)生上課時間喚醒查詢宿舍水表，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)某宿舍水表在上課時段長時間處于高流量，可以判斷為水管忘關(guān)。系統(tǒng)可以向管理發(fā)出報警提醒。有效地解決了因?qū)W生忘關(guān)水龍頭，而造成水浪費(fèi)或者水浸情況。

同樣，在夏季學(xué)生上課期間，定時連續(xù)多次喚醒查詢宿舍電表，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生宿舍在上課期間仍有較大用電量，可以判斷學(xué)生宿舍空調(diào)、飲水機(jī)忘關(guān)。通過觸發(fā)報警，可以提醒管理員、學(xué)生，避免浪費(fèi)。

針對管道的跑冒滴漏和損耗過大，也可以通過對智能表收集數(shù)據(jù)的實時分析來判斷。利用系統(tǒng)在凌晨2-4點定時上報數(shù)據(jù)的分析，可以得到主管道水表、分支管道水表的小流量數(shù)據(jù)。通過對比差值，可以判斷出水管系統(tǒng)的泄漏部分，可以有效及早發(fā)現(xiàn)管道損壞現(xiàn)象。

同樣，在大量水、電計量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以繪制當(dāng)天、當(dāng)月甚至全年的水、電用量峰谷負(fù)荷圖。可以用于學(xué)校限水、電容量資源的合理調(diào)配。特別是能夠根據(jù)區(qū)域用量，合理均衡三相負(fù)荷，能夠達(dá)到降低線損，有利于供電設(shè)備長期可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果。

6 展望

隨著技工院校學(xué)生、后勤管理的信息化水平提高，得益于LoRa通信的低功耗長距離通信優(yōu)勢的智能無線抄表將是未來發(fā)展的趨勢，將逐漸替代人工抄表和有線自動抄表。

LoRa無線技術(shù)不僅能夠適用于水電表，也可以推廣到有限范圍內(nèi)，低功耗，遠(yuǎn)距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸、使能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。特別是LoRa組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以孤網(wǎng)運(yùn)行，不依賴運(yùn)營商，可以有效降低系統(tǒng)的使用費(fèi)用。相信，LoRa技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。