基于LoRa的學生宿舍智能抄表系統設計

雷 宇

（廣州市職業技術教研室，廣東廣州 510030）

0 引言

學生宿舍的水電表計量一直是學校管理的難點之一。由于學生住宿集中，水電表數量多，抄表工作量大，給學校后勤工作帶來了較大的壓力。近年來興起了多種智能抄表系統，實現了智能計費、在線查詢等功能。有效地解決了人工抄表帶來的繁瑣等問題。

但是由于技術不成熟，也帶來一些問題。多數智能表依賴于有線網絡和電源。一臺智能水表需要一根電源線和一根通訊線，施工成本較高，且容易受到損壞。后期也有部分水表采用WiFi等方式走無線通信協議，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，給后勤工作帶來了困難。

低功耗物聯網接入模塊LORA的應用為學生宿舍智能抄表系統提供了全新的解決方案，經過試用解決了以前技術存在的問題，具有極高的推廣價值。

1 Lora概述

LoRa是一種采用擴頻技術的無線傳輸通訊方案[1]，該方案解決了超遠距離無線數據傳輸的難題，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、長電池壽命、低延時、大容量等優點的無線通訊解決方案。

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運行時間要求較高。LoRa能夠維持終端電池的使用時間長達數年，且通訊距離可達5 000 m，穿墻能力[2]。特別適用于智能抄表這類長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。采用簡單的星型拓撲結構。在這個結構中，LoRa集中器作為中繼，鏈接使用中的終端端設備和后端服務器。網關與服務器通過標準的IP6協議絡進行連接，由于網關充當透明中繼，終端設備可以和多個網關通信，所有的節點可進行雙向通信。

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無線擴頻芯片組成，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。各個功能的實現都是依據行業內多年形成的標準，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。在市場也已經有很成熟的產品，可以方便定制、選購。

LoRa模塊具有遠距離低功耗的特點，可以方便地在傳統電表、水表上改裝，在設計之初，已經預計使用普通鋰電池即可實現長時間的運行[3]。由于智能電表、水表需要增加執行元件，會出現額外的功耗，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，長達2～3個月斷電情況下，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。且對于技工院校學生，由于專業技能較高，存在一定的風險。因此，采用了水力管道發電裝置作為LoRa模塊和電池模塊供電，并將裝置整合到水表中去。實現了獨立模塊，無損安裝，可適用于各種環境和老舊宿舍樓的改造，經過測試，實現了持續運行。

水力管道發電裝置利用嵌入水管的永磁體渦輪作為轉子，PVC管道外布置線圈。利用開關水流驅動永磁轉子轉動，在PVC管道外的線圈中產生感應電流，經過整流穩壓后，供給電池充電系統，可實現智能水表系統的持續供電。

圖1 系統組成

3 系統組成

LoRa技術采用星形網絡架構，與網狀網絡架構相比，具有低延遲的最簡單的網絡結構。基于LoRa的擴頻芯片，可以實現水表、電表與集中器直接組網連接，構成星形。由于LoRa技術傳輸距離遠，應用于智能水表、電表遠程通信時無需中繼器，使用簡單的星形組網就可以建立LoRa微功率網絡，因此其通信網絡結構為典型的星形網絡結構，如圖1所示。

每個智能水表、電表終端，使用一個固定的硬件地址，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。

一個集中器與多個智能水表、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信號并發送至集中器，集中器上裝有LoRa模塊和有線網絡模塊，利用LoRa模塊將接收到的Lo?Ra信號解調處理，轉換為有線網絡信號并傳輸至基站，基站收到信息后進一步通過Internet網絡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62 500個節點，所以采用單一LoRa集中器即可組成智能抄表網絡，而且可以孤網運行。由于LoRa傳輸距離遠，穿墻能力強，一般一個宿舍組團使用一個LoRa集中器即可，可以靈活布置LoRa集中器，具有架設網絡容易、成本低廉的特點。

4 工作模式

系統的工作方式主要有自動輪詢、節點主動上報、喚醒輪詢3種工作方式：

（1）自動輪詢可減少服務器負載量，只需通過簡單設置，LoRa網關可以自助下發數據。例如通過Modbus指令輪詢節點，無需服務器下發，節省網絡數據流量。適合智能表計及閘控、糧倉溫濕度監控、Modbus輪詢應用及產品改造等應用領[6]。

（2）透傳數據工作模式。LoRa模塊可直接與服務器進行數據傳輸，減少有線連接的煩惱，只需LoRa網關和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應用領域，比如智慧城市、智慧農業等。

（3）定時主動上報。定時上報就是為每個LoRa節點設置數據上報時間，通過定時節點喚醒用戶設備，進行數據上傳；適合煙感報警器、氣體檢測、垃圾桶檢測、智慧油田等應用領域。

由于宿舍水表、電表的應用數據量不大，對實時性要求不高，綜合考慮功耗等因素，選擇自動輪詢上報模式。多數時間里，智能水表、電表處于休眠狀態，并不上報數據。在設定的時間里，服務器通過LoRa集中器廣播模式發送某一地址段的水表、電表喚醒指令。此時在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集中器發送包含水表地址信息、數據信息、時間信息的數據。智能水表、電表在發送完數據后，繼續進入休眠狀態。

集中器收到LoRa智能水表、電表發送的數據后，核對智能終端地址。如果相符，將智能終端數據轉發到服務器；如果地址與喚醒指令地址段不符，將數據丟棄。

服務器收到LoRa集中器發還的數據后，將數據放入數據庫，用于后面的計費等應用。如果在特定的時間里，服務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。如果查詢多次，沒有收到終端的上報數據，則向管理員報警，并進行下一組智能水表、電表的喚醒查詢。

5 應用與實際意義

在廣州市智慧社保的項目中，涉及廣州市屬技工院校6所技師學院的15個校區，僅宿舍水控表總數就達到了4 925臺。承接公司在部分校區，使用了LoRa技術。

LoRa技術的應用，有效地降低了施工技術難度，縮短了施工時間，提高了系統的穩定性。由于可以不依賴Internet，系統運行成本低、經濟好。也可通過網絡發送到數據中心，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，同時又使用了電源進行供電，設備的在線時間大大延長，可以實現終端免維護，整個系統可靠性高。在實際應用中，經歷了寒暑假長期斷水、斷電的考驗，所有智能水表、電表均能正常喚醒，上報數據。

同時由于LoRa協議的優勢，系統具有抄表準確、工作簡單、維護容易、抗干擾能力強等特點。即使在突發停電情況下，依然可以正常工作，可靠性強。具有雙向傳輸功能，可以實現部分控制使能。

在解決實際應用的基礎上，由于LoRa協議的實時性，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題，由于LoRa協議的實時性，當擁有了全樓可計量水表的實時數據時，也有了新的解決辦法。

如系統在學生上課時間喚醒查詢宿舍水表，通過數據發現某宿舍水表在上課時段長時間處于高流量，可以判斷為水管忘關。系統可以向管理發出報警提醒。有效地解決了因學生忘關水龍頭，而造成水浪費或者水浸情況。

同樣，在夏季學生上課期間，定時連續多次喚醒查詢宿舍電表，如果發現學生宿舍在上課期間仍有較大用電量，可以判斷學生宿舍空調、飲水機忘關。通過觸發報警，可以提醒管理員、學生，避免浪費。

針對管道的跑冒滴漏和損耗過大，也可以通過對智能表收集數據的實時分析來判斷。利用系統在凌晨2-4點定時上報數據的分析，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。可以用于學校限水、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，能夠達到降低線損，有利于供電設備長期可靠、經濟運行的效果。

6 展望

隨著技工院校學生、后勤管理的信息化水平提高，得益于LoRa通信的低功耗長距離通信優勢的智能無線抄表將是未來發展的趨勢，將逐漸替代人工抄表和有線自動抄表。

LoRa無線技術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、使能的物聯網應用。特別是LoRa組成的物聯網系統可以孤網運行，不依賴運營商，可以有效降低系統的使用費用。相信，LoRa技術將得到更廣泛的應用。