基于物聯(lián)網(wǎng)LoRa智能水表的研究與設(shè)計

江武志 許娜芬 鐘煒杰 李金墉

摘 要：傳統(tǒng)的人工抄表需要工作人員挨家挨戶收集水表數(shù)據(jù)，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(zhǔn)確、有效地抄收水表數(shù)據(jù)。隨著社會的發(fā)展，有線和無線自動抄表系統(tǒng)慢慢走進(jìn)了人們的視野。LoRa是LPWAN通信技術(shù)中發(fā)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(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)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(xiàn)遠(yuǎn)距離、延長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展為傳感網(wǎng)絡(luò)。目前LoRa主要在全球免費頻段運(yùn)行，包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等。文中詳細(xì)介紹了一款基于LoRa的智能水表系統(tǒng)，通過分析LoRa的優(yōu)勢和特點，點明了利用LoRa技術(shù)所組成的智能水表系統(tǒng)的諸多優(yōu)點與LoRa智能水表系統(tǒng)的原理及需求和硬件組成、軟件程序設(shè)計等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：LoRa；智能水表系統(tǒng)；無線傳輸；LPWAN通信技術(shù)

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

0 引 言

為了適應(yīng)現(xiàn)代化抄表管理的需求，充分采用LoRa技術(shù)，利用成熟的LoRa網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出一套建設(shè)成本低、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確和能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的LoRa遠(yuǎn)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(zhǔn)確、高效、安全的數(shù)據(jù)信息[1]。傳統(tǒng)的人工抄表需要工作人員挨家挨戶收集水表數(shù)據(jù)，不僅工作量大，還無法體現(xiàn)數(shù)據(jù)的實效性，不能及時反應(yīng)用戶是否欠費。而LoRa智能水表系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程抄表，節(jié)省了人力物力。傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能，LoRa智能水表除了可對用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可按照約定對用水量進(jìn)行控制，更加合理地利用水資源，促進(jìn)節(jié)約用水[2]。

1 設(shè)計思路

圖1所示為基于物聯(lián)網(wǎng)LoRa智能水表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由485智能水表、電磁水閥、LoRa數(shù)據(jù)采集控制器、LoRa網(wǎng)關(guān)、服務(wù)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(shù)據(jù)采集控制器相連，通過智能水表的CJ/T188—2004協(xié)議，LoRa數(shù)據(jù)采集控制器可以和智能水表通信，獲取智能水表的數(shù)據(jù)。得到數(shù)據(jù)后，通過LoRa數(shù)據(jù)采集控制器上的LoRa無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中。服務(wù)器中的數(shù)據(jù)采集后臺服務(wù)模塊會解析上傳的數(shù)據(jù)，然后將有用的數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中，最后可以通過在Web頁面中的操作來實現(xiàn)實時水量查詢和遠(yuǎn)程控制功能。

2 主控芯片（STM32單片機(jī)）及LoRa芯片簡介

STM32F103增強(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計，使用高性能的ARMCortex-M3 32位RISC內(nèi)核，其工作頻率為

72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)128 kB的閃存和20 kB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。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(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI，3個USART，1個USB和1個CAN[3]。基于上述優(yōu)勢，本設(shè)計采用STM32F103系列單片機(jī)。

LoRa是LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）通信技術(shù)中的一種，是Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，是Semtech射頻部分產(chǎn)生的一種獨特的調(diào)制格式。LoRa射頻部分的核心芯片是SX1276/77/78/79，該系列產(chǎn)品采用LoRa擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，使器件傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的基于FSK或OOK調(diào)制方式的系統(tǒng)。在最大數(shù)據(jù)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(fā)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(yōu)勢，可以進(jìn)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(kuò)頻調(diào)制帶寬（BW）、擴(kuò)頻因子（SF）和糾錯率（CR）。擴(kuò)頻調(diào)制的另一優(yōu)點是每個擴(kuò)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(xiàn)有基于FSK的系統(tǒng)簡單共存。此外，還支持標(biāo)準(zhǔn)的GFSK，F(xiàn)SK，OOK及GMSK調(diào)制模式，因而能夠與現(xiàn)有的M-BUS和IEEE 802.15.4g等系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)兼容[4]。網(wǎng)關(guān)則采用集成度更高、信道數(shù)更多的SX1301芯片。用SX1301作為核心開發(fā)出的LoRa網(wǎng)關(guān)可與諸多LoRa模塊構(gòu)成多節(jié)點的復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)。

3 LoRa智能水表系統(tǒng)的硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)LoRa智能水表系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由485智能水表、電磁水閥和LoRa數(shù)據(jù)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(shù)的遠(yuǎn)傳表。由于其可直接獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，與水表的中間工作狀態(tài)無關(guān)，因此具有無需常用電源，機(jī)械、電子數(shù)值統(tǒng)一，數(shù)據(jù)格式兼容性強(qiáng)等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的485水表是無源光電直讀水表，水表無需持續(xù)供電、度數(shù)精準(zhǔn)、系統(tǒng)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(yè)設(shè)備中的一種，是用以控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動等。可用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路實現(xiàn)預(yù)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(dǎo)式電磁閥。本文系統(tǒng)選用直動式電磁閥。

3.3 LoRa數(shù)據(jù)采集控制器

系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)STM32F103C8T6為核心，結(jié)構(gòu)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(shè)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(jīng)ASM1117-3.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后為單片機(jī)和LoRa通信芯片提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。LoRa數(shù)據(jù)采集控制器和智能水表之間通過RS-485串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。LoRa數(shù)據(jù)采集控制器按照CJ/T188-2004協(xié)議向智能水表發(fā)送指定數(shù)據(jù)，然后接收智能水表返回的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，之后將得到的數(shù)據(jù)按照LoRa和網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議打包，再通過LoRa無線通信將打包好的數(shù)據(jù)以電磁波的形式發(fā)送出去。LoRa網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，在服務(wù)器上運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)解析后，將有用數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)要對電磁水閥進(jìn)行控制時，通過服務(wù)器的設(shè)備控制服務(wù)程序向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送指定信令，LoRa網(wǎng)關(guān)接收到信令后，將信令以電磁波的形式發(fā)送給LoRa數(shù)據(jù)采集控制器，LoRa數(shù)據(jù)采集控制器接收到信令后，對繼電器進(jìn)行控制，從而控制電磁水閥的開關(guān)。指示燈電路主要用于顯示數(shù)據(jù)的上傳和下傳狀態(tài)。

4 LoRa數(shù)據(jù)采集控制器的軟件設(shè)計

LoRa數(shù)據(jù)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(tǒng)FreeRTOS編寫而成，在圖中可看出程序主要分為三個任務(wù)，分別是數(shù)據(jù)定時上傳任務(wù)、LoRa數(shù)據(jù)接收任務(wù)和LED指示任務(wù)。數(shù)據(jù)定時上傳任務(wù)的功能是將從智能水表獲得的數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，LoRa數(shù)據(jù)接收任務(wù)的功能是接收來自網(wǎng)關(guān)的信令，解析后執(zhí)行相應(yīng)的操作。LED指示任務(wù)的功能是指示當(dāng)前是否在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

隨著城市的高速發(fā)展以及人口的大規(guī)模遷移，城市高層住宅規(guī)模越來越大，水表的數(shù)量隨之急劇增加，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)用戶私自改裝水表或欠費等現(xiàn)象，且存在錯抄，估抄的情況，容易引起不必要的糾紛。本文設(shè)計的基于LoRa的智能水表系統(tǒng)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(zhǔn)確、高效、安全的數(shù)據(jù)信息。

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