基于LoRa通訊的水流蓄能智能水表設計

周巧儀　張智靚

摘? 要：本項目設計從環保與能源利用方面著手，通過微型自來水發電裝置實現智能水表的能源自供給，結合LoRa技術實現超低功耗、超遠距離的無線數據通訊，其研究成果可以應用到智能建筑的自動抄表系統中，實現對水資源的智能化管理，節約智能建筑運維成本，達到節能減排的目的，順應國家綠色節能建筑的建設標準。

關鍵詞：自動抄表;LoRa通訊;水流蓄能;智能水表;節能

中圖分類號：TU821.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0035-02

Abstract： The design of this project starts from the aspects of environmental protection and energy utilization， realizes the energy self-supply of intelligent water meter through micro tap power generation device， and realizes ultra-low power consumption and ultra-long distance wireless data communication combined with LoRa technology. The research results can be applied to the automatic meter reading system of intelligent building to realize the intelligent management of water resources， save the operation and maintenance cost of intelligent building， achieve the purpose of energy saving and emission reduction， and conform to the construction standard of national green energy-saving building.

Keywords： automatic meter reading; LoRa communication; flow energy storage; intelligent water meter; energy saving

21世紀是節約型社會，節約能源的必要性早已被人們所重視。我國水資源匱乏，據有關資料顯示，我國每年城市缺水達60億立方，因此造成約兩千億元的經濟損失[1]。同時，水資源存在低效利用和大肆浪費等情況。因此，迫切需要借助智能水表，利用自動抄表技術，實現對水資源的智能化管理，同時也可實現對水資源的自動計量計費，節約人力成本。

目前市面上可以見到的智能水表形式各異，根據通信方式不同主要有總線制和無線制兩大類。比較成熟的無線方案主要有ZigBee，GPRS，CDMA和小無線等。無線網絡通過利用電磁波在空氣中發送和接收數據，無需布設線纜介質，使用便利，已獲得廣泛的應用[2]。而LoRa技術則是一項近幾年才發布的面向無線傳感網絡與控制應用的通信技術，具有低功耗和傳輸距離遠的特性，有理由相信在不久的將來它將會在自動抄表領域占據主導地位。[3]作為無線通訊類的智能水表，普遍存在一個軟肋——電源供應問題。為了真正實現無線，這一類的表具已經取消了有線供電的方式，普遍采用干電池供電，這一供電方式具有結構簡單、無需布線、供電成本低等優勢，同時也存在著需要定期更換電池、干電池的廢棄易造成環境污染等缺點。

本文將LoRa通信技術和水流蓄能技術應用到無線抄表中，實現了智能采集數據信息、智能控制閥門開關、增加電池電量監測及水流蓄能電能自供給等多種優秀性能。

1 總體設計

智能水表作為自動抄表系統的設備終端，用于采集用戶的用水量，同時接收和執行來自服務器的指令，從而實現對水資源的智能化管理。本設計利用水流蓄能模塊為智能水表提供電能：當有水流流動時，水流蓄能電源模塊利用微型水力發電機和穩壓電路、蓄能鋰電池為水表提供電能，同時流量采集模塊記錄用水量;利用LoRa通信模塊實現無線通訊：當LoRa通信模塊接收到服務器數據采集命令時，智能水表進行水量等數據信息的上報，當LoRa通信模塊接收到欠費指令后，MCU控制模塊發出關閥指令并通過電磁閥控制模塊關閉水路，實現斷水功能。此外，在有需要時，可利用RS485通信模塊實現與上位機的通信[4]。基于LoRa通訊的水流蓄能智能水表的硬件框架如圖1所示，由MCU控制模塊、LoRa通信模塊、水流蓄能模塊、電磁閥控制模塊、流量采集模塊、EEPROM存儲模塊及RS485通信串口組成。

2 硬件設計

2.1 MCU控制模塊

水流蓄能智能水表為實現能源的自供給，需要實現超低功耗運行。而微控制決定了整個無線智能水表的功耗和性能。本智能水表設計選用意法半導體公司STM32L系列微控制器。該控制器采用Cortex-M3內核，具有超低功耗，實時性好，外設豐富，代碼靈活等特點。同時，該芯片具有低功耗運行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待機模式5種低功耗工作模式，以及創新型自主動態電壓調節功能。[5]這些特點有利于實現智能水表低功耗設計，在低功耗的原則下實現多功能，可滿足無線蓄能智能水表的設計需求。

2.2 LoRa通信模塊

智能水表與服務器之間的通信是整個無線自動抄表過程的關鍵，其通信性能決定著整個自動抄表系統的性能。從技術角度分析，LoRa通信技術抗干擾能力強、傳輸可靠、功耗低、時延短、使用免費、成本低、施工要求低，在目前的技術條件下，它是最適合用于水表自動抄表的技術。本設計采用Microchip公司推出的433/868MHz RN2483模塊，該模塊IoT和M2M無線通信距離可超過10英里（郊區），并且能夠將數百萬的無線傳感器節點與LoRa技術網關連接起來。[6]

2.3 流量采集模塊

流量采集模塊采用中斷采集模式，利用流體傳感器帶動智能水表齒輪轉動，當智能水表轉動一圈時，中斷模式的I/O口電平會拉低，從而發出中斷信號。在智能水表接收到有效的中斷脈沖信號后，MCU由休眠模式轉至工作模式，并記錄一次中斷信號。通過這種中斷采集模式對中斷脈沖進行計數，記錄用水量。

2.4 水流蓄能模塊

水流蓄能模塊主要包括微型水輪發電機、穩壓控制回路、充電保護電路和鋰電池組成。微型水輪發電機裝設于電磁閥之前，當有水流流過時帶動水輪發電，通過穩壓控制回路輸出5V直流電壓為鋰電池充電，利用充電保護模塊將輸出電壓穩定在鋰電池允許的充電電壓范圍之內，從而保證鋰電池不會因為過充而損壞，保障了充電的安全。儲存在鋰電池中的電能作為低功耗運行的LoRa通信智能水表正常工作所需能源儲備。

3 軟件設計

智能水表上電后先進行各模塊系統初始化，然后判斷自動抄表系統服務器有沒有發送數據采集指令，如果智能水表接收到了服務器發出的數據采集命令，則向服務器發送一次用水量、閥門開閉狀態、電池電量、欠費等工作狀態信息。接著依次判斷水表齒輪是否轉完一圈、鋰電池電量是否充足、是否有欠費等。如水表齒輪轉完一圈，則計數一次;如電池電量不足則會發送警告幀給服務器，并確保開啟水路閥門;如發生欠費，在非電池電量不足狀態下會自動關閉閥門，如果欠費狀態取消則會自動打開閥門。軟件設計流程圖如圖2所示。

4 結束語

本項目設計從環保與能源利用方面著手，通過微型自來水發電裝置實現智能水表的能源自供給，結合LoRa技術實現超低功耗、超遠距離的無線數據通訊，其研究成果可以應用到智能建筑的自動抄表系統中，實現對水資源的智能化管理，節約智能建筑運維成本，達到節能減排的目的，順應國家綠色節能建筑的建設標準。

參考文獻：

[1]周雪蕾.設施農業用水計量與調度管理系統的應用研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[2]孫麗艷.無線網絡技術優勢、應用及發展方向研究[J].硅谷，2008，20：58-91.

[3]羅貴英.基于LoRa的水表抄表系統設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2016.

[4]鄭子含，劉高平.基于ADE7755的單相電子式電能表設計[J].微計算機信息，2012，28（4）：59-61.

[5]楊歡，李紅信.一種采用LoRa技術的智能水表設計[J].無線電工程，2017，47（12）：75-78.

[6]Microchip公司.Microchip LoRa? 無線模塊全球首獲LoRa聯盟認證[EB/OL].http：//www.elecfans.com/tongxin/rf/20151228396167.html.2015-12-28.