基于LoRa通信技术的智能水表及远程管理平台的研发

2020-02-03李英沈金荣

电子技术与软件工程 2020年6期

李英沈金荣

（1.苏州建设交通高等职业技术学校江苏省苏州市 215000 2.苏州缆讯通信技术有限公司江苏省苏州市 215000）

水资源短缺已经成为我国社会经济发展的主要制约因素之一，随着工业化进程的不断加快，水资源短缺形式将更加严峻。在这种严峻的形势下，环保理念、节水意识逐步深入人心，无论从践行低碳环保行为上，还是节省水费开支上，节约用水都是势在必行的。

随着我国城市建设的快速发展、城市人口和高层建筑也在不断增多，计算机技术、微电子技术、信息化网络技术的研发带动了高科技产品的不断涌现，现在很多城市建筑已经实现了楼宇自动化，一些高科技产品已经成为现代智能建筑和智能小区的必备条件，其中就包括智能水表。从《2019年中国智能水表行业市场运营模式分析及发展趋势预测研究报告》中显示，当前国内智能水表渗透率不足 30%，而且智能水表产品技术、管理水平、发展趋势等明显滞后。按照国家法定水表 6年更换周期，超期服役现象严重，这也意味着智能水表存量替换空间巨大。若将机械水表全部替换成智能水表，总体换空间可达千亿规模。

我国智能水表渗透率低的主要原因是智能水表通讯技术落后、信息传递不稳定，智能水表产品质量不过关、技术含量低，水表项目施工和维护成本高。

综上所述，为了响应当前社会市场发展需求，立足于解决当前智慧水表管理的问题，本文设计了自动化程度高、操作简单、维护方便且节约成本的智能水表管理系统。

1 项目主要内容

本项目智能智慧水表管理控制系统解决方案由水务管理控制云平台、基于 LoRaWAN 通信的智能无线远传水表和中兴克拉的网关三部分组成。

1.1 水表管理控制云平台

水表管理控制云平台是一个中央控制和管理类系统，负责控制和管理整个智能水表和网关区域设备的运行。该系统是一套由计算机系统、系统管理软件、应用软件行业数据库组成抄表管理和控制系统。主要功包括：信息管理、运行管理、统计分析、数据导出等功能。系统采用 B/S 架构的设计方式，通过现场读取水表检测的数据来进行分析和管理。系统强大的管理和控制功能使管理部门能够摆脱繁琐的人工抄录的方式，降低人力成本的投入，还能实现自动化水务管理，在线检测水资源利用情况，避免造成漏水浪费水资源的情况发生。

1.2 智能无线远传水表

本项目研发的WMCV 型智能水表是一款自主研发的基于LoRaWAN 通信的智能水表，具备水量计量及上报，阀控、远程监控等功能，采用 LoRa 调制技术，遵循 LoRaWAN 无线传输协议，配合 LoRaWAN 或者中兴克拉网关使用，实现远程监控和智能管理。如图1 所示。

图1

图2

1.3 0LoRa 网关

中兴克拉网关能接入各类 CLAA 应用节点，实现链路安全、数据加密通讯、压缩等功能，支持 G/4G 及有线 FE 数据回传，支持 Wi-Fi 就近无线配置管理，支持 GPS/BeiDou 定位并提供授时功能，支持市电、POE、太阳能多方式供电。

2 项目特色

（1）系统遵循标准 LoRaWAN 中兴 CLAA 通信协议，自动同步通讯时间单元;调频技术避免同频干扰提高传输的可靠性，传输率和传输距离自适应算法，有效提高系统容量。

（2）无线远传水表系统集采集计量、双向通行及抄表阀控于一体，系统包括无线远传水表、Lorawan/克拉网关、NS 服务器和远程管理系统。

（3）系统适用于多层、高层的板楼、塔楼、别墅、公寓等各种楼型结构的民用水表的远程抄表与控制。

（4）系统基于 LORA 通信技术，采用简单星状网络结构，通信延时小，传输距离远而可靠。

（5）无需复杂的施工布线方案，工程量小，Lorawan/克拉网关与水表组成一个星状网络，Lorawan/克拉网关通过 Wi-Fi/4G/有线/光纤多种上联方式与后台服务器组成网络，网络结构稳定、可靠。同时，所有水表及集中器均采用多频点多速率、抗干扰等自主核心技术，避免抄表不到、抄表不稳定等问题，使系统长期稳定运行，后期维护成本大幅度降低。

（6）含计量、防磁、电源电压检测、计量值掉电存储功能、阀门到位开发状态检测、控阀电路、自动疏通阀。

（7）主动上报数据模式：24 小时内随机时间主动上报一次抄表数据。

3 本项目重点解决的技术问题

3.1 功耗问题

在设计单片机应用系统时，关心系统的功能实现、可靠性等因素时，对系统的“低功率”特性也越来越重视，系统功耗不仅影响到系统的维护成本，也将对系统的可靠性产生影响。由于大多数无线远传水表都是采用电池供电，因此，对功耗要求非常苛刻，经常性的更换电池也是不现实的。一般而言，电池的实际使用寿命要大于等于 6年，才能满足相关要求。

3.2 采集数据准确性问题

智能水表采集数据的准确性和使用数据的可靠性，关系到计量器具能否长期使用的问题。计量的准确性以及通信的可靠性是无线抄表系统最基本的要求，但同时又是不很容易解决定问题。因为无线通信很容易受到一些金属、房屋结构的屏蔽，还有一些无线信号频率相近的电波干扰问题。

3.3 通信协议及数据安全问题

在数据信息传递通信和系统储存中，安全性是需要格外关注的技术点。由于外无线通信的频段相对较为固定，很容易被检测到，这就需要在数据安全方面加强防范措施。在水务管理系统中，采集数据的准确性、存储数据的安全性和使用数据的可靠性都需要安全系统的保护来确保控制系统动作的准确性。

3.4 实时报警，自动控制问题

在智能水表监测到用水异常或水表自身运行不稳定时，及时的向系统发送信息，系统实施自动控制和报警是本项目研发中需要实现的功能。本项目系统需要做到当监测到流水异常出现漏水的情况，在报警的同时，自动控制阀门关闭流水；在水表低温、欠压、失联等异常情况出现时，可在管理平台实时发送异常情况，积极避免采集监测管理工作中的错漏情况发生。

表1

图3

4 项目关键技术

4.1 使用扩频技术

使用扩频技术，抗噪能力强使用高达 6-12 的扩频因子，LoRa 技术将小容量数据通过宽大的无线电频谱传送信号。LoRa 的扩频调至器将数据包的每一位数据馈送如“扩展器”里，将每一位 BIT 时间划分为众多的码片。拖过扩频技术产生的无线电波在频谱仪上看起来像噪声，基于此，数据实际上可以从噪声中提取出来。扩频因子越高，越多的数据能从噪声中提取出来，从而数据的可靠性越强，抗噪声能力越强大。

4.2 使用前向纠错技术

增强数据的可靠性采用这种用于纠错的编码技术——前向纠错技术，使在编码阶段增加些冗余信息，在接收端可以及时纠正传输过程中引入的错误，增强了数据的传输的可靠性。

4.3 使用低速率传输技术

使用低速率传输技术，适应远距离传输场景LoRa 最高通信速率为 300kbps，正适用于水表远距离传输的场景，由于采用扩频技术，信道带宽占用比较多，因而只能牺牲传输速度。另外，传输速度和传输距离是成反比的关系，因此越是需要远距离传输的场景越需要使用低速的传输性能。

4.4 切换 LoRa 工作状态，保障低功耗

为了保证智能水表低功耗的状态，因此需要对 LoRa 切换工作状态的技术进行研发，达到休眠模式下的功耗只有 8uA 左右。采用的方案是在发送数据的工作模式下，LoRa 则采用扩频技术，信噪比要求低，信号收发时间短，每天会随机时间唤醒上传数据避免信道冲突。在非工作模式下，LoRa 节点可以进入休眠模式，达到契合电池供电产品的形态。