基于物聯網LoRa智能水表的研究與設計

江武志 許娜芬 鐘煒杰 李金墉

摘 要：傳統的人工抄表需要工作人員挨家挨戶收集水表數據，不僅工作量大，還存在錯抄、漏抄和用戶私自改裝水表等問題，無法及時、準確、有效地抄收水表數據。隨著社會的發展，有線和無線自動抄表系統慢慢走進了人們的視野。LoRa是LPWAN通信技術中發展較快、相對成熟的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案為用戶提供了一種簡單的能實現遠距離、延長電池壽命、大容量的系統，進而擴展為傳感網絡。目前LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等。文中詳細介紹了一款基于LoRa的智能水表系統，通過分析LoRa的優勢和特點，點明了利用LoRa技術所組成的智能水表系統的諸多優點與LoRa智能水表系統的原理及需求和硬件組成、軟件程序設計等內容。

關鍵詞：LoRa；智能水表系統；無線傳輸；LPWAN通信技術

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

為了適應現代化抄表管理的需求，充分采用LoRa技術，利用成熟的LoRa網絡設計出一套建設成本低、數據傳輸準確和能夠適應復雜環境的LoRa遠程自動智能表，從而實時、高效地檢測用戶的用水信息。該新型水表不僅能夠解決人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及安全隱患方面的問題，還能為水力部門提供準確、高效、安全的數據信息[1]。傳統的人工抄表需要工作人員挨家挨戶收集水表數據，不僅工作量大，還無法體現數據的實效性，不能及時反應用戶是否欠費。而LoRa智能水表系統能夠實時監控數據，可遠程抄表，節省了人力物力。傳統水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能，LoRa智能水表除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可按照約定對用水量進行控制，更加合理地利用水資源，促進節約用水[2]。

1 設計思路

圖1所示為基于物聯網LoRa智能水表系統的整體結構圖。系統由485智能水表、電磁水閥、LoRa數據采集控制器、LoRa網關、服務器組成。

首先將485智能水表與電磁水閥安裝在同一條管道上以保證電磁水閥可以控制智能水表的流通水量，然后智能水表通過RS 485串行總線與LoRa數據采集控制器相連，通過智能水表的CJ/T188—2004協議，LoRa數據采集控制器可以和智能水表通信，獲取智能水表的數據。得到數據后，通過LoRa數據采集控制器上的LoRa無線模塊將數據發送到LoRa網關，LoRa網關接收到數據后，通過互聯網將數據上傳到服務器中。服務器中的數據采集后臺服務模塊會解析上傳的數據，然后將有用的數據儲存到數據庫中，最后可以通過在Web頁面中的操作來實現實時水量查詢和遠程控制功能。

2 主控芯片（STM32單片機）及LoRa芯片簡介

STM32F103增強型系列由意法半導體集團設計，使用高性能的ARMCortex-M3 32位RISC內核，其工作頻率為

72 MHz，內置高速存儲器（高達128 kB的閃存和20 kB的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位ADC，3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI，3個USART，1個USB和1個CAN[3]。基于上述優勢，本設計采用STM32F103系列單片機。

LoRa是LPWAN（低功耗廣域網）通信技術中的一種，是Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術，是Semtech射頻部分產生的一種獨特的調制格式。LoRa射頻部分的核心芯片是SX1276/77/78/79，該系列產品采用LoRa擴頻調制解調技術，使器件傳輸距離遠遠超出現有的基于FSK或OOK調制方式的系統。在最大數據速率下，LoRa的靈敏度相比FSK高出8 dB；倘若使用低成本材料和20 ppm晶體的LoRa，收發器靈敏度可以比FSK高出20 dB。

此外，LoRa在選擇性和阻塞性能方面也具有顯著優勢，可以進一步提高通信可靠度。同時，它還提供了很大的靈活性，用戶可自行決定擴頻調制帶寬（BW）、擴頻因子（SF）和糾錯率（CR）。擴頻調制的另一優點是每個擴頻因子均呈正交分布，因而多個傳輸信號可以占用同一信道而不會互相干擾，并且能夠與現有基于FSK的系統簡單共存。此外，還支持標準的GFSK，FSK，OOK及GMSK調制模式，因而能夠與現有的M-BUS和IEEE 802.15.4g等系統或標準兼容[4]。網關則采用集成度更高、信道數更多的SX1301芯片。用SX1301作為核心開發出的LoRa網關可與諸多LoRa模塊構成多節點的復雜的物聯網自組網。

3 LoRa智能水表系統的硬件設計

物聯網LoRa智能水表系統的硬件系統由485智能水表、電磁水閥和LoRa數據采集控制器組成。

3.1 485智能水表

無源直讀水表是智能水表的一種，是通過電阻定位或光電定位直接確定水表讀數的遠傳表。由于其可直接獲取結果數據，與水表的中間工作狀態無關，因此具有無需常用電源，機械、電子數值統一，數據格式兼容性強等優點。本系統采用的485水表是無源光電直讀水表，水表無需持續供電、度數精準、系統開放且安裝簡單方便。

3.2 電磁水閥

電磁閥是電磁控制工業設備中的一種，是用以控制流體的自動化基礎元件，屬于執行器，并不限于液壓、氣動等。可用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他參數。電磁閥可以配合不同的電路實現預期的控制，且能夠保證控制的精度和靈活性。該電磁水閥從原理上分為直動式電磁閥、分步直動式電磁閥和先導式電磁閥。本文系統選用直動式電磁閥。

3.3 LoRa數據采集控制器

系統以STM32F103系列單片機STM32F103C8T6為核心，結構如圖2所示，實物如圖3所示。其功能模塊主要由電源電路模塊、LoRa通信模塊、電磁水閥控制電路、指示燈電路和485串口通信模塊組成。

電源模塊設計采用寬電壓輸入的AC-DC電路，輸入電壓為交流100～240 V，輸出電壓為直流5 V，經ASM1117-3.3穩壓管穩壓后為單片機和LoRa通信芯片提供穩定的3.3 V電壓。LoRa數據采集控制器和智能水表之間通過RS-485串行總線進行數據通信。LoRa數據采集控制器按照CJ/T188-2004協議向智能水表發送指定數據，然后接收智能水表返回的數據，接收到數據后對數據進行解析，之后將得到的數據按照LoRa和網關通信協議打包，再通過LoRa無線通信將打包好的數據以電磁波的形式發送出去。LoRa網關接收到數據后，將數據發送到服務器，在服務器上運行的數據采集服務程序對數據解析后，將有用數據儲存到數據庫中。當要對電磁水閥進行控制時，通過服務器的設備控制服務程序向LoRa網關發送指定信令，LoRa網關接收到信令后，將信令以電磁波的形式發送給LoRa數據采集控制器，LoRa數據采集控制器接收到信令后，對繼電器進行控制，從而控制電磁水閥的開關。指示燈電路主要用于顯示數據的上傳和下傳狀態。

4 LoRa數據采集控制器的軟件設計

LoRa數據采集控制器程序流程如圖4所示。程序基于小型嵌入式系統FreeRTOS編寫而成，在圖中可看出程序主要分為三個任務，分別是數據定時上傳任務、LoRa數據接收任務和LED指示任務。數據定時上傳任務的功能是將從智能水表獲得的數據打包并發送到網關，LoRa數據接收任務的功能是接收來自網關的信令，解析后執行相應的操作。LED指示任務的功能是指示當前是否在發送或接收數據。

5 結 語

隨著城市的高速發展以及人口的大規模遷移，城市高層住宅規模越來越大，水表的數量隨之急劇增加，導致人工抄表的難度越來越大，人工抄表的弊端也越來越突出。人工抄表需要工作人員挨家挨戶抄表，工作量大，工作效率低，不能及時發現用戶私自改裝水表或欠費等現象，且存在錯抄，估抄的情況，容易引起不必要的糾紛。本文設計的基于LoRa的智能水表系統不僅能夠解決人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及存在安全隱患等方面的問題，還能為水力部門提供準確、高效、安全的數據信息。

參考文獻

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