基于LoRa通信技術(shù)的智能水表及遠(yuǎn)程管理平臺的研發(fā)

李英 沈金榮

（1.蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省蘇州市 215000 2.蘇州纜訊通信技術(shù)有限公司 江蘇省蘇州市 215000）

水資源短缺已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要制約因素之一，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，水資源短缺形式將更加嚴(yán)峻。在這種嚴(yán)峻的形勢下，環(huán)保理念、節(jié)水意識逐步深入人心，無論從踐行低碳環(huán)保行為上，還是節(jié)省水費(fèi)開支上，節(jié)約用水都是勢在必行的。

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展、城市人口和高層建筑也在不斷增多，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)帶動了高科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在很多城市建筑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了樓宇自動化，一些高科技產(chǎn)品已經(jīng)成為現(xiàn)代智能建筑和智能小區(qū)的必備條件，其中就包括智能水表。從《2019年中國智能水表行業(yè)市場運(yùn)營模式分析及發(fā)展趨勢預(yù)測研究報(bào)告》中顯示，當(dāng)前國內(nèi)智能水表滲透率不足 30%，而且智能水表產(chǎn)品技術(shù)、管理水平、發(fā)展趨勢等明顯滯后。按照國家法定水表 6年更換周期，超期服役現(xiàn)象嚴(yán)重，這也意味著智能水表存量替換空間巨大。若將機(jī)械水表全部替換成智能水表，總體換空間可達(dá)千億規(guī)模。

我國智能水表滲透率低的主要原因是智能水表通訊技術(shù)落后、信息傳遞不穩(wěn)定，智能水表產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)、技術(shù)含量低，水表項(xiàng)目施工和維護(hù)成本高。

綜上所述，為了響應(yīng)當(dāng)前社會市場發(fā)展需求，立足于解決當(dāng)前智慧水表管理的問題，本文設(shè)計(jì)了自動化程度高、操作簡單、維護(hù)方便且節(jié)約成本的智能水表管理系統(tǒng)。

1 項(xiàng)目主要內(nèi)容

本項(xiàng)目智能智慧水表管理控制系統(tǒng)解決方案由水務(wù)管理控制云平臺、基于 LoRaWAN 通信的智能無線遠(yuǎn)傳水表和中興克拉的網(wǎng)關(guān)三部分組成。

1.1 水表管理控制云平臺

水表管理控制云平臺是一個中央控制和管理類系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制和管理整個智能水表和網(wǎng)關(guān)區(qū)域設(shè)備的運(yùn)行。該系統(tǒng)是一套由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用軟件行業(yè)數(shù)據(jù)庫組成抄表管理和控制系統(tǒng)。主要功包括：信息管理、運(yùn)行管理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，通過現(xiàn)場讀取水表檢測的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析和管理。系統(tǒng)強(qiáng)大的管理和控制功能使管理部門能夠擺脫繁瑣的人工抄錄的方式，降低人力成本的投入，還能實(shí)現(xiàn)自動化水務(wù)管理，在線檢測水資源利用情況，避免造成漏水浪費(fèi)水資源的情況發(fā)生。

1.2 智能無線遠(yuǎn)傳水表

本項(xiàng)目研發(fā)的WMCV 型智能水表是一款自主研發(fā)的基于LoRaWAN 通信的智能水表，具備水量計(jì)量及上報(bào)，閥控、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，采用 LoRa 調(diào)制技術(shù)，遵循 LoRaWAN 無線傳輸協(xié)議，配合 LoRaWAN 或者中興克拉網(wǎng)關(guān)使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能管理。如圖1 所示。

圖1

圖2

1.3 0LoRa 網(wǎng)關(guān)

中興克拉網(wǎng)關(guān)能接入各類 CLAA 應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鏈路安全、數(shù)據(jù)加密通訊、壓縮等功能，支持 G/4G 及有線 FE 數(shù)據(jù)回傳，支持 Wi-Fi 就近無線配置管理，支持 GPS/BeiDou 定位并提供授時(shí)功能，支持市電、POE、太陽能多方式供電。

2 項(xiàng)目特色

（1）系統(tǒng)遵循標(biāo)準(zhǔn) LoRaWAN 中興 CLAA 通信協(xié)議，自動同步通訊時(shí)間單元;調(diào)頻技術(shù)避免同頻干擾提高傳輸?shù)目煽啃裕瑐鬏斅屎蛡鬏斁嚯x自適應(yīng)算法，有效提高系統(tǒng)容量。

（2）無線遠(yuǎn)傳水表系統(tǒng)集采集計(jì)量、雙向通行及抄表閥控于一體，系統(tǒng)包括無線遠(yuǎn)傳水表、Lorawan/克拉網(wǎng)關(guān)、NS 服務(wù)器和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)適用于多層、高層的板樓、塔樓、別墅、公寓等各種樓型結(jié)構(gòu)的民用水表的遠(yuǎn)程抄表與控制。

（4）系統(tǒng)基于 LORA 通信技術(shù)，采用簡單星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通信延時(shí)小，傳輸距離遠(yuǎn)而可靠。

（5）無需復(fù)雜的施工布線方案，工程量小，Lorawan/克拉網(wǎng)關(guān)與水表組成一個星狀網(wǎng)絡(luò)，Lorawan/克拉網(wǎng)關(guān)通過 Wi-Fi/4G/有線/光纖多種上聯(lián)方式與后臺服務(wù)器組成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠。同時(shí)，所有水表及集中器均采用多頻點(diǎn)多速率、抗干擾等自主核心技術(shù)，避免抄表不到、抄表不穩(wěn)定等問題，使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，后期維護(hù)成本大幅度降低。

（6）含計(jì)量、防磁、電源電壓檢測、計(jì)量值掉電存儲功能、閥門到位開發(fā)狀態(tài)檢測、控閥電路、自動疏通閥。

（7）主動上報(bào)數(shù)據(jù)模式：24 小時(shí)內(nèi)隨機(jī)時(shí)間主動上報(bào)一次抄表數(shù)據(jù)。

3 本項(xiàng)目重點(diǎn)解決的技術(shù)問題

3.1 功耗問題

在設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，關(guān)心系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)、可靠性等因素時(shí)，對系統(tǒng)的“低功率”特性也越來越重視，系統(tǒng)功耗不僅影響到系統(tǒng)的維護(hù)成本，也將對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響。由于大多數(shù)無線遠(yuǎn)傳水表都是采用電池供電，因此，對功耗要求非?？量?，經(jīng)常性的更換電池也是不現(xiàn)實(shí)的。一般而言，電池的實(shí)際使用壽命要大于等于 6年，才能滿足相關(guān)要求。

3.2 采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性問題

智能水表采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和使用數(shù)據(jù)的可靠性，關(guān)系到計(jì)量器具能否長期使用的問題。計(jì)量的準(zhǔn)確性以及通信的可靠性是無線抄表系統(tǒng)最基本的要求，但同時(shí)又是不很容易解決定問題。因?yàn)闊o線通信很容易受到一些金屬、房屋結(jié)構(gòu)的屏蔽，還有一些無線信號頻率相近的電波干擾問題。

3.3 通信協(xié)議及數(shù)據(jù)安全問題

在數(shù)據(jù)信息傳遞通信和系統(tǒng)儲存中，安全性是需要格外關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)。由于外無線通信的頻段相對較為固定，很容易被檢測到，這就需要在數(shù)據(jù)安全方面加強(qiáng)防范措施。在水務(wù)管理系統(tǒng)中，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、存儲數(shù)據(jù)的安全性和使用數(shù)據(jù)的可靠性都需要安全系統(tǒng)的保護(hù)來確?？刂葡到y(tǒng)動作的準(zhǔn)確性。

3.4 實(shí)時(shí)報(bào)警，自動控制問題

在智能水表監(jiān)測到用水異常或水表自身運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，及時(shí)的向系統(tǒng)發(fā)送信息，系統(tǒng)實(shí)施自動控制和報(bào)警是本項(xiàng)目研發(fā)中需要實(shí)現(xiàn)的功能。本項(xiàng)目系統(tǒng)需要做到當(dāng)監(jiān)測到流水異常出現(xiàn)漏水的情況，在報(bào)警的同時(shí)，自動控制閥門關(guān)閉流水；在水表低溫、欠壓、失聯(lián)等異常情況出現(xiàn)時(shí)，可在管理平臺實(shí)時(shí)發(fā)送異常情況，積極避免采集監(jiān)測管理工作中的錯漏情況發(fā)生。

表1

圖3

4 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)

4.1 使用擴(kuò)頻技術(shù)

使用擴(kuò)頻技術(shù)，抗噪能力強(qiáng)使用高達(dá) 6-12 的擴(kuò)頻因子，LoRa 技術(shù)將小容量數(shù)據(jù)通過寬大的無線電頻譜傳送信號。LoRa 的擴(kuò)頻調(diào)至器將數(shù)據(jù)包的每一位數(shù)據(jù)饋送如“擴(kuò)展器”里，將每一位 BIT 時(shí)間劃分為眾多的碼片。拖過擴(kuò)頻技術(shù)產(chǎn)生的無線電波在頻譜儀上看起來像噪聲，基于此，數(shù)據(jù)實(shí)際上可以從噪聲中提取出來。擴(kuò)頻因子越高，越多的數(shù)據(jù)能從噪聲中提取出來，從而數(shù)據(jù)的可靠性越強(qiáng)，抗噪聲能力越強(qiáng)大。

4.2 使用前向糾錯技術(shù)

增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性采用這種用于糾錯的編碼技術(shù)——前向糾錯技術(shù)，使在編碼階段增加些冗余信息，在接收端可以及時(shí)糾正傳輸過程中引入的錯誤，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.3 使用低速率傳輸技術(shù)

使用低速率傳輸技術(shù)，適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸場景LoRa 最高通信速率為 300kbps，正適用于水表遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱鼍埃捎诓捎脭U(kuò)頻技術(shù)，信道帶寬占用比較多，因而只能犧牲傳輸速度。另外，傳輸速度和傳輸距離是成反比的關(guān)系，因此越是需要遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱鼍霸叫枰褂玫退俚膫鬏斝阅堋?/p>

4.4 切換 LoRa 工作狀態(tài)，保障低功耗

為了保證智能水表低功耗的狀態(tài)，因此需要對 LoRa 切換工作狀態(tài)的技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，達(dá)到休眠模式下的功耗只有 8uA 左右。采用的方案是在發(fā)送數(shù)據(jù)的工作模式下，LoRa 則采用擴(kuò)頻技術(shù)，信噪比要求低，信號收發(fā)時(shí)間短，每天會隨機(jī)時(shí)間喚醒上傳數(shù)據(jù)避免信道沖突。在非工作模式下，LoRa 節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠模式，達(dá)到契合電池供電產(chǎn)品的形態(tài)。

4.5 采用星型結(jié)構(gòu)，增大網(wǎng)絡(luò)容量

LoRa 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，在星型網(wǎng)絡(luò)中可以存在數(shù)萬個終端，以適應(yīng)通信距離遠(yuǎn)的需求。

5 技術(shù)路線圖及技術(shù)指標(biāo)

5.1 智能水表解決方案示意圖

如圖2 所示。

5.2 智能水表內(nèi)部設(shè)計(jì)

如圖3 所示。

5.3 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目基于 LoRaWAN 通信技術(shù)的智慧水表解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)水量計(jì)量及上報(bào)，閥控、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等功能，采用 LoRa 調(diào)制技術(shù)，遵循 LoRaWAN 無線傳輸協(xié)議，配合 LoRaWAN 或者中興克拉網(wǎng)關(guān)使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能管理，非常適應(yīng)市場需求前景。