王蒙蒙

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：介紹了一種利用LoRa協(xié)議實(shí)現技工院校學(xué)生宿舍智能抄表系統的設計方案。LoRa具有低功耗、遠距離、低延時(shí)的特點(diǎn)。抄表系統操作簡(jiǎn)單，具有無(wú)擾安裝、靈活配置、實(shí)時(shí)監控、擴展應用等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng)；LoRa；智能抄表

0引言

學(xué)生宿舍的水電表計量一直是學(xué)校管理的難點(diǎn)之一。由于學(xué)生住宿集中，水電表數量多，抄表工作量大，給學(xué)校后勤工作帶來(lái)了較大的壓力。近年來(lái)興起了多種智能抄表系統，實(shí)現了智能計費、在線(xiàn)查詢(xún)等功能。有效地解決了人工抄表帶來(lái)的繁瑣等問(wèn)題。但是由于技術(shù)不成熟，也帶來(lái)一些問(wèn)題。多數智能表依賴(lài)于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和電源。一臺智能水表需要一根電源線(xiàn)和一根通訊線(xiàn)，施工成本較高，且容易受到損壞。后期也有部分水表采用WiFi等方式走無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，但是由于系統不穩定，易受干擾，故障率高，系統運維成本很高，甚至導致一些矛盾出現，給后勤工作帶來(lái)了困難。低功耗物聯(lián)網(wǎng)接入模塊LORA的應用為學(xué)生宿舍智能

抄表系統提供了全新的解決方案，經(jīng)過(guò)試用解決了以前技術(shù)存在的問(wèn)題，具有推廣價(jià)值。

1 Lora概述

LoRa是一種采用擴頻技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸通訊方案，該方案解決了超遠距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸的難題，該方案工作在全球公共通訊頻段。平衡了超遠距離和超低功耗，能夠提供具有遠距離、長(cháng)電池壽命、低延時(shí)、大容量等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通訊解決方案。選擇LoRa方案是因為智能抄表應用中，數據吞吐量不大，而對于終端的持續在線(xiàn)運行時(shí)間要求較高。LoRa能夠維持終端電池的使用時(shí)間長(cháng)達數年，且通訊距離可達5000m，穿墻能力。特別適用于智能抄表這類(lèi)長(cháng)距離小流量數據通信使用。LoRa通訊方案由使用LoRa芯片的數據采集終端——智能表和LoRa集中器組成。采用簡(jiǎn)單的星型拓撲結構。在這個(gè)結構中，LoRa集中器作為中繼，鏈接使用中的終端端設備和后端服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過(guò)標準的IP6協(xié)議絡(luò )進(jìn)行連接，由于網(wǎng)關(guān)充當透明中繼，終端設備可以和多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，所有的節點(diǎn)可進(jìn)行雙向通信。

2智能硬件

基于LoRa的智能水表、電表是在普通電子水表、電表的基礎上增加LoRa智能抄表模塊組成的。模塊的主MCU采用強大的STM8L單片機和LoRaTM無(wú)線(xiàn)擴頻芯片組成，模塊集成了閥控電路、磁感應、主副電壓控制、主電壓檢測電路以及水表、電表采集電路。各個(gè)功能的實(shí)現都是依據行業(yè)內多年形成的標準，在水表、電表采集電路方面，可設置為光電采集、單干簧管采集和雙干簧管采集，并且雙干簧管有強磁干擾保護。在市場(chǎng)也已經(jīng)有很成熟的產(chǎn)品，可以方便定制、選購。LoRa 模塊具有遠距離低功耗的特點(diǎn)，可以方便地在傳統電表、水表上改裝，在設計之初，已經(jīng)預計使用普通鋰電池即可實(shí)現長(cháng)時(shí)間的運行。由于智能電表、水表需要增加執行元件，會(huì )出現額外的功耗，因此需要另外尋求可靠的電源供給。對于智能電表而言，由于工作于電路，通過(guò)整流穩壓后可以獲得電池系統的穩定電源供給。因此在電子電表上增加LoRa模塊和電池模塊能夠實(shí)現穩定的數據采集和傳輸。由于LoRa的低功耗特性，可以保持在寒暑假期間，長(cháng)達2～3個(gè)月斷電情況下，保持數據刷新和控制使能。對于智能水表，由于水力管道的特殊性和現場(chǎng)條件所限。如果給水表提供單獨電源供電成本較高。且對于技工院校學(xué)生，由于專(zhuān)業(yè)技能較高，存在一定的風(fēng)險。因此，采用了水力管道發(fā)電裝置作為 LoRa 模塊和電池模塊供電，并將裝置整合到水表中去。實(shí)現了獨立模塊，無(wú)損安裝，可適用于各種環(huán)境和老舊宿舍樓的改造，經(jīng)過(guò)測試，實(shí)現了持續運行。水力管道發(fā)電裝置利用嵌入水管的永磁體渦輪作為轉子，PVC管道外布置線(xiàn)圈。利用開(kāi)關(guān)水流驅動(dòng)永磁轉子轉動(dòng)，在PVC管道外的線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電流，經(jīng)過(guò)整流穩壓后，供給電池充電系統，可實(shí)現智能水表系統的持續供電。

3 系統組成

LoRa 技術(shù)采用星形網(wǎng)絡(luò )架構，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )架構相比，具有低延遲的簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )結構?；?span style=";padding: 0px;list-style-type: none;box-sizing: border-box">LoRa的擴頻芯片，可以實(shí)現水表、電表與集中器直接組網(wǎng)連接，構成星形。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠，應用于智能水表、電表遠程通信時(shí)無(wú)需中繼器，使用簡(jiǎn)單的星形組網(wǎng)就可以建立LoRa微功率網(wǎng)絡(luò )，因此其通信網(wǎng)絡(luò )結構為典型的星形網(wǎng)絡(luò )結構，如圖1所示。每個(gè)智能水表、電表終端，使用一個(gè)固定的硬件地址，并將硬件地址銘刻在智能電表、水表外殼上。在智能電、水表安裝以后，統計宿舍、位置和智能電表、水表的硬件地址。在工作站系統上進(jìn)行硬件匹配，即可工作。更換損壞的智能水表、電表也僅需重新匹配硬件地址和宿舍

即可，系統配置靈活，操作便利。一個(gè)集中器與多個(gè)智能水表、電表相連接，智能水表、電表表端的通信模塊上裝有LoRa模塊，將表端的數字信號調制為LoRa信號并發(fā)送至集中器，集中器上裝有LoRa模塊和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊，利用LoRa模塊將接收到的LoRa信號解調處理，轉換為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號并傳輸至基站，基站收到信息后進(jìn)一步通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò )傳輸至中央數據中心，也可不上傳。理論上LoRa集中器可以連接62500個(gè)節點(diǎn)，所以采用單一LoRa集中器即可組成智能抄表網(wǎng)絡(luò )，而且可以孤網(wǎng)運行。由于LoRa傳輸距離遠，穿墻能力強，一般一個(gè)宿舍組團使用一個(gè)LoRa集中器即可，可以靈活布置LoRa集中器，具有架設網(wǎng)絡(luò )容易、成本低廉的特點(diǎn)。

4.工作模式

系統的工作方式主要有自動(dòng)輪詢(xún)、節點(diǎn)主動(dòng)上報、喚醒輪詢(xún)3種工作方式：（1）自動(dòng)輪詢(xún)可減少服務(wù)器負載量，只需通過(guò)簡(jiǎn)單設置，LoRa網(wǎng)關(guān)可以自助下發(fā)數據。例如通過(guò)Modbus指令輪詢(xún)節點(diǎn)，無(wú)需服務(wù)器下發(fā)，節省網(wǎng)絡(luò )數據流量。適合智能表計及閘控、糧倉溫濕度監控、Modbus 輪詢(xún)應用及產(chǎn)品改造等應用領(lǐng)。（2）透傳數據工作模式。LoRa模塊可直接與服務(wù)器進(jìn)行數據傳輸，減少有線(xiàn)連接的煩惱，只需LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa模塊負責透傳功能即可完成數據傳輸。適合不需要考慮功耗的控制類(lèi)應用領(lǐng)域，比如智慧城市、智慧農業(yè)等。（3）定時(shí)主動(dòng)上報。定時(shí)上報就是為每個(gè)LoRa節點(diǎn)設置數據上報時(shí)間，通過(guò)定時(shí)節點(diǎn)喚醒用戶(hù)設備，進(jìn)行數據上傳；適合煙感報警器、氣體檢測、垃圾桶檢測、智慧油田等應用領(lǐng)域。由于宿舍水表、電表的應用數據量不大，對實(shí)時(shí)性要求不高，綜合考慮功耗等因素，選擇自動(dòng)輪詢(xún)上報模式。多數時(shí)間里，智能水表、電表處于休眠狀態(tài)，并不上報數據。在設定的時(shí)間里，服務(wù)器通過(guò)LoRa集中器廣播模式發(fā)送某一地址段的水表、電表喚醒指令。此時(shí)在LoRa集中器信號覆蓋范圍內的智能水表、電表都能收到喚醒指令。當智能水表、電表收到喚醒指令后，進(jìn)行地址比對，如果地址不符，則丟棄指令包，繼續休眠。如果地址相

符，則喚醒，向LoRa集中器發(fā)送包含水表地址信息、數據信息、時(shí)間信息的數據。智能水表、電表在發(fā)送完數據后，繼續進(jìn)入休眠狀態(tài)。集中器收到LoRa智能水表、電表發(fā)送的數據后，核對智能終端地址。如果相符，將智能終端數據轉發(fā)到服務(wù)器；如果地址與喚醒指令地址段不符，將數據丟棄。服務(wù)器收到LoRa集中器發(fā)還的數據后，將數據放入數據庫，用于后面的計費等應用。如果在特定的時(shí)間里，服務(wù)器仍未收到某地址的智能水表、電表反饋數據，將繼續喚醒查詢(xún)。如果查詢(xún)多次，沒(méi)有收到終端的上報數據，則向管理員報警，并進(jìn)行下一組智能水表、電表的喚醒查詢(xún)。

5應用與實(shí)際意義

在廣州市智慧社保的項目中，涉及廣州市屬技工院校6所技師學(xué)院的15個(gè)校區，僅宿舍水控表總數就達到了4925臺。承接公司在部分校區，使用了LoRa技術(shù)。LoRa 技術(shù)的應用，有效地降低了施工技術(shù)難度，縮短了施工時(shí)間，提高了系統的穩定性。由于可以不依賴(lài)

Internet，系統運行成本低、經(jīng)濟好。也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到數據中心，建立全市技工院校后勤管理大數據庫，配置方式靈活。LoRa 智能水表、電表終端采用電池供電，同時(shí)又使用了電源進(jìn)行供電，設備的在線(xiàn)時(shí)間大大延長(cháng)，可以實(shí)現終端免維護，整個(gè)系統可靠性高。在實(shí)際應用中，經(jīng)歷了寒暑假長(cháng)期斷水、斷電的考驗，所有智能水表、電表均能正常喚醒，上報數據。同時(shí)由于LoRa協(xié)議的優(yōu)勢，系統具有抄表準確、工作簡(jiǎn)單、維護容易、抗力強等特點(diǎn)。即使在突發(fā)停電情況下，依然可以正常工作，可靠性強。具有雙向傳輸功能，可以實(shí)現部分控制使能。在解決實(shí)際應用的基礎上，由于LoRa協(xié)議的實(shí)時(shí)性，根據采集的水電表數據也拓展了抄表系統的應用。跑冒滴漏一直是管道系統的老問(wèn)題，由于LoRa協(xié)議的實(shí)時(shí)性，當擁有了全樓可計量水表的實(shí)時(shí)數據時(shí)，也有了新的解決辦法。如系統在學(xué)生上課時(shí)間喚醒查詢(xún)宿舍水表，通過(guò)數據發(fā)現某宿舍水表在上課時(shí)段長(cháng)時(shí)間處于高流量，可以判斷

為水管忘關(guān)。系統可以向管理發(fā)出報警提醒。有效地解決了因學(xué)生忘關(guān)水龍頭，而造成水浪費或者水浸情況。同樣，在夏季學(xué)生上課期間，定時(shí)連續多次喚醒查詢(xún)宿舍電表，如果發(fā)現學(xué)生宿舍在上課期間仍有較大用電量，可以判斷學(xué)生宿舍空調、飲水機忘關(guān)。通過(guò)觸發(fā)報

警，可以提醒管理員、學(xué)生，避免浪費。針對管道的跑冒滴漏和損耗過(guò)大，也可以通過(guò)對智能表收集數據的實(shí)時(shí)分析來(lái)判斷。利用系統在凌晨2-4點(diǎn)定時(shí)上報數據的分析，可以得到主管道水表、分支管道水表的小流量數據。通過(guò)對比差值，可以判斷出水管系統的泄漏部分，可以有效及早發(fā)現管道損壞現象。同樣，在大量水、電計量數據的基礎上，對數據進(jìn)行分析，可以繪制當天、當月甚至全年的水、電用量峰谷負荷圖?？梢杂糜趯W(xué)校限水、電容量資源的合理調配。特別是能夠根據區域用量，合理均衡三相負荷，能夠達到降低線(xiàn)損，有利于供電設備長(cháng)期可靠、經(jīng)濟運行的效果。

6安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

6.1 系統方案

系統為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計量箱ADF300L系列，實(shí)現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

6.2 系統功能

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預付費電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成系統到表的充值、查詢(xún)、監控、控制及短信報警等功能。
   本系統適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著(zhù)數據公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線(xiàn)支付，總部財務(wù)扎口等復雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預付費:可是查看某區域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設置水價(jià)控閥等操作。

遠程售電:財務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對充值次數，方便快捷。

能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶(hù)表的能耗、財務(wù)數據、能耗和財務(wù)的期初期末值等數據。

在線(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微信公眾號實(shí)現在線(xiàn)自助充值水電費，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶(hù)。

遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

6.3 產(chǎn)品選型

7結束語(yǔ)

隨著(zhù)技工院校學(xué)生、后勤管理的信息化水平提高，得益于LoRa通信的低功耗長(cháng)距離通信優(yōu)勢的智能無(wú)線(xiàn)抄表將是未來(lái)發(fā)展的趨勢，將逐漸替代人工抄表和有線(xiàn)自動(dòng)抄表。LoRa無(wú)線(xiàn)技術(shù)不僅能夠適用于水電表，也可以推廣到有限范圍內，低功耗，遠距離、低速率的數據傳輸、使能的物聯(lián)網(wǎng)應用。特別是LoRa組成的物聯(lián)網(wǎng)系統可以孤網(wǎng)運行，不依賴(lài)運營(yíng)商，可以有效降低系統的使用費用。相信，LoRa技術(shù)將得到更廣泛的應用。

【參考文獻】

【1】雷宇.基于LoRa的學(xué)生宿舍智能抄表系統設計

【2】趙太飛，陳倫斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系統設計與實(shí)現［J］.計算機測量與控制，2016（09）：298-301.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06

作者簡(jiǎn)介：王蒙蒙，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展