基于LoRa的家用水流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 杰，張朝霞，梁 波

(太原師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 晉中 030619)

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

0 引言

1999年The Auto-ID Labs研究實(shí)驗(yàn)室的Kevin提出了物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)[1]的概念，但當(dāng)時(shí)IOT是根據(jù)射頻識(shí)技術(shù)(RFID)[2]在商品流通過程中使用的情況提出來(lái)的.10年過去了，IOT所涉及的領(lǐng)域已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初所涉及的領(lǐng)域，傳輸范圍也從局域無(wú)線網(wǎng)發(fā)展到了廣域無(wú)線網(wǎng).LPWAN的出現(xiàn)極大地拓展了物聯(lián)網(wǎng)所使用的范圍，這使得“萬(wàn)物互聯(lián)”有望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn).基于LPWAN網(wǎng)絡(luò)的智能抄表系統(tǒng)最近好多文章都有涉及，文[3-4]均給出了基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都是應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域里，對(duì)于家用領(lǐng)域幾乎沒有涉及.本文根據(jù)目前基于LoRa的無(wú)線抄表系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一個(gè)適用于家庭的家用水流量監(jiān)控系統(tǒng).本系統(tǒng)可以提供用戶的用水情況分析圖，幫助用戶改善用水習(xí)慣.還能給用戶發(fā)出漏水警報(bào)，用戶可以通過手機(jī)終端關(guān)閉家中進(jìn)水閥門，從而減少不必要的損失.

1 LoRa簡(jiǎn)述

LoRa是低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)LPWAN通信技術(shù)中的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，它是由美國(guó)Semtech公司采用和推廣的.它融合了數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理以及前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，增加了數(shù)據(jù)傳輸過程中鏈路預(yù)算以及抗干擾能力，因而它的適用范圍是遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)[3].與WiFi藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)相比，真正實(shí)現(xiàn)了成本低、覆蓋區(qū)域最大化的物聯(lián)網(wǎng).目前，LoRa技術(shù)運(yùn)行在免費(fèi)頻段上，包括433、868、915 MHz等.

LoRa的主要特點(diǎn)如下：(1)功耗低.157dB的連接預(yù)算，通訊距離能夠達(dá)到15 km，但接收電流僅為10 mA，休眠電流200 nA；(2)容量大.在一定的條件之下，發(fā)射功率為20 dBm，在建筑密集的環(huán)境下可以覆蓋2 km左右，在密度較低的建筑環(huán)境下可以覆蓋10 km；(3)支持通過信號(hào)空中傳輸時(shí)間測(cè)量距離和進(jìn)行定位[5]；(4)成本低.其終端建設(shè)費(fèi)用不到NB-IoT的一半.基于以上特點(diǎn)，筆者選用LoRa作為通訊方案.

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由智能感知終端、網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)三個(gè)模塊組成.網(wǎng)絡(luò)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

智能終端采用星型結(jié)構(gòu)同網(wǎng)關(guān)聯(lián)接，同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比它的延遲要低，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成.

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要由智能終端和網(wǎng)關(guān)組成.考慮到成本問題，云平臺(tái)采用租用第三方的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可減少一部分硬件成本.移動(dòng)終端采用普通手機(jī)即可，不用另外添加設(shè)備.

3.1.1 智能終端

智能終端是通過改裝智能水表實(shí)現(xiàn)的.智能終端主要有計(jì)量模塊、機(jī)電轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線電通訊模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、中心控制模塊、開關(guān)閥門驅(qū)動(dòng)模塊、電源管理模塊組成.信息通訊采用LoRa1276芯片.

3.1.2 網(wǎng)關(guān)

本系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)和文[3]所提的集中器功能類似.LoRa模塊采用1276芯片，數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)采用3G方式，核心處理器采用STM32系列中的Stm32F103RCT6.它是智能終端和云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通的橋梁，其電路圖見圖2.

圖2 網(wǎng)關(guān)模塊電路圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要有智能感知終端軟件、網(wǎng)關(guān)管理軟件、云平臺(tái)管理系統(tǒng)、移動(dòng)終端軟件.由于硬件的不同我們采用了不同的程序開發(fā)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì).終端以C語(yǔ)言為主，網(wǎng)關(guān)控制采用JavaScript語(yǔ)言并在Node.js開發(fā)環(huán)境中編寫.Node.js采用了非阻塞式I/O的模型，這樣對(duì)于數(shù)據(jù)的上報(bào)與處理是非常方便的.云平臺(tái)管理系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言開發(fā).移動(dòng)終端軟件使用Java開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)成微信小程序.

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)主要的特點(diǎn)：1)用戶可以及時(shí)掌握家庭的用水情況，而且通過手機(jī)app就可以輕松實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)可以用圖表的方式來(lái)分析用戶在一定時(shí)間段內(nèi)的用水情況，可以幫助用戶改善用水習(xí)慣，達(dá)到節(jié)約用水的目的.2)系統(tǒng)通過判斷水流量的變化，給用戶發(fā)信息提示家里有可能發(fā)生漏水的情況.用戶可以及時(shí)通過微信小程序?qū)⒓抑羞M(jìn)水的閥門關(guān)閉，從而減少不必要的損失.

5 結(jié)語(yǔ)

家用水流量監(jiān)控在以前很少有人提這個(gè)概念，但我們國(guó)家的水資源的日益緊缺，人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，這個(gè)方面的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多.本系統(tǒng)只是初步解決了這個(gè)問題，下一步可以考慮和小區(qū)的智能抄表系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，這樣就會(huì)給人們提供一種更加便利的生活方式.