基于LoRa通信技術的智能水表及遠程管理平臺的研發

李英 沈金榮

（1.蘇州建設交通高等職業技術學校 江蘇省蘇州市 215000 2.蘇州纜訊通信技術有限公司 江蘇省蘇州市 215000）

水資源短缺已經成為我國社會經濟發展的主要制約因素之一，隨著工業化進程的不斷加快，水資源短缺形式將更加嚴峻。在這種嚴峻的形勢下，環保理念、節水意識逐步深入人心，無論從踐行低碳環保行為上，還是節省水費開支上，節約用水都是勢在必行的。

隨著我國城市建設的快速發展、城市人口和高層建筑也在不斷增多，計算機技術、微電子技術、信息化網絡技術的研發帶動了高科技產品的不斷涌現，現在很多城市建筑已經實現了樓宇自動化，一些高科技產品已經成為現代智能建筑和智能小區的必備條件，其中就包括智能水表。從《2019年中國智能水表行業市場運營模式分析及發展趨勢預測研究報告》中顯示，當前國內智能水表滲透率不足 30%，而且智能水表產品技術、管理水平、發展趨勢等明顯滯后。按照國家法定水表 6年更換周期，超期服役現象嚴重，這也意味著智能水表存量替換空間巨大。若將機械水表全部替換成智能水表，總體換空間可達千億規模。

我國智能水表滲透率低的主要原因是智能水表通訊技術落后、信息傳遞不穩定，智能水表產品質量不過關、技術含量低，水表項目施工和維護成本高。

綜上所述，為了響應當前社會市場發展需求，立足于解決當前智慧水表管理的問題，本文設計了自動化程度高、操作簡單、維護方便且節約成本的智能水表管理系統。

1 項目主要內容

本項目智能智慧水表管理控制系統解決方案由水務管理控制云平臺、基于 LoRaWAN 通信的智能無線遠傳水表和中興克拉的網關三部分組成。

1.1 水表管理控制云平臺

水表管理控制云平臺是一個中央控制和管理類系統，負責控制和管理整個智能水表和網關區域設備的運行。該系統是一套由計算機系統、系統管理軟件、應用軟件行業數據庫組成抄表管理和控制系統。主要功包括：信息管理、運行管理、統計分析、數據導出等功能。系統采用 B/S 架構的設計方式，通過現場讀取水表檢測的數據來進行分析和管理。系統強大的管理和控制功能使管理部門能夠擺脫繁瑣的人工抄錄的方式，降低人力成本的投入，還能實現自動化水務管理，在線檢測水資源利用情況，避免造成漏水浪費水資源的情況發生。

1.2 智能無線遠傳水表

本項目研發的WMCV 型智能水表是一款自主研發的基于LoRaWAN 通信的智能水表，具備水量計量及上報，閥控、遠程監控等功能，采用 LoRa 調制技術，遵循 LoRaWAN 無線傳輸協議，配合 LoRaWAN 或者中興克拉網關使用，實現遠程監控和智能管理。如圖1 所示。

圖1

圖2

1.3 0LoRa 網關

中興克拉網關能接入各類 CLAA 應用節點，實現鏈路安全、數據加密通訊、壓縮等功能，支持 G/4G 及有線 FE 數據回傳，支持 Wi-Fi 就近無線配置管理，支持 GPS/BeiDou 定位并提供授時功能，支持市電、POE、太陽能多方式供電。

2 項目特色

（1）系統遵循標準 LoRaWAN 中興 CLAA 通信協議，自動同步通訊時間單元;調頻技術避免同頻干擾提高傳輸的可靠性，傳輸率和傳輸距離自適應算法，有效提高系統容量。

（2）無線遠傳水表系統集采集計量、雙向通行及抄表閥控于一體，系統包括無線遠傳水表、Lorawan/克拉網關、NS 服務器和遠程管理系統。

（3）系統適用于多層、高層的板樓、塔樓、別墅、公寓等各種樓型結構的民用水表的遠程抄表與控制。

（4）系統基于 LORA 通信技術，采用簡單星狀網絡結構，通信延時小，傳輸距離遠而可靠。

（5）無需復雜的施工布線方案，工程量小，Lorawan/克拉網關與水表組成一個星狀網絡，Lorawan/克拉網關通過 Wi-Fi/4G/有線/光纖多種上聯方式與后臺服務器組成網絡，網絡結構穩定、可靠。同時，所有水表及集中器均采用多頻點多速率、抗干擾等自主核心技術，避免抄表不到、抄表不穩定等問題，使系統長期穩定運行，后期維護成本大幅度降低。

（6）含計量、防磁、電源電壓檢測、計量值掉電存儲功能、閥門到位開發狀態檢測、控閥電路、自動疏通閥。

（7）主動上報數據模式：24 小時內隨機時間主動上報一次抄表數據。

3 本項目重點解決的技術問題

3.1 功耗問題

在設計單片機應用系統時，關心系統的功能實現、可靠性等因素時，對系統的“低功率”特性也越來越重視，系統功耗不僅影響到系統的維護成本，也將對系統的可靠性產生影響。由于大多數無線遠傳水表都是采用電池供電，因此，對功耗要求非常苛刻，經常性的更換電池也是不現實的。一般而言，電池的實際使用壽命要大于等于 6年，才能滿足相關要求。

3.2 采集數據準確性問題

智能水表采集數據的準確性和使用數據的可靠性，關系到計量器具能否長期使用的問題。計量的準確性以及通信的可靠性是無線抄表系統最基本的要求，但同時又是不很容易解決定問題。因為無線通信很容易受到一些金屬、房屋結構的屏蔽，還有一些無線信號頻率相近的電波干擾問題。

3.3 通信協議及數據安全問題

在數據信息傳遞通信和系統儲存中，安全性是需要格外關注的技術點。由于外無線通信的頻段相對較為固定，很容易被檢測到，這就需要在數據安全方面加強防范措施。在水務管理系統中，采集數據的準確性、存儲數據的安全性和使用數據的可靠性都需要安全系統的保護來確保控制系統動作的準確性。

3.4 實時報警，自動控制問題

在智能水表監測到用水異常或水表自身運行不穩定時，及時的向系統發送信息，系統實施自動控制和報警是本項目研發中需要實現的功能。本項目系統需要做到當監測到流水異常出現漏水的情況，在報警的同時，自動控制閥門關閉流水；在水表低溫、欠壓、失聯等異常情況出現時，可在管理平臺實時發送異常情況，積極避免采集監測管理工作中的錯漏情況發生。

表1

圖3

4 項目關鍵技術

4.1 使用擴頻技術

使用擴頻技術，抗噪能力強使用高達 6-12 的擴頻因子，LoRa 技術將小容量數據通過寬大的無線電頻譜傳送信號。LoRa 的擴頻調至器將數據包的每一位數據饋送如“擴展器”里，將每一位 BIT 時間劃分為眾多的碼片。拖過擴頻技術產生的無線電波在頻譜儀上看起來像噪聲，基于此，數據實際上可以從噪聲中提取出來。擴頻因子越高，越多的數據能從噪聲中提取出來，從而數據的可靠性越強，抗噪聲能力越強大。

4.2 使用前向糾錯技術

增強數據的可靠性采用這種用于糾錯的編碼技術——前向糾錯技術，使在編碼階段增加些冗余信息，在接收端可以及時糾正傳輸過程中引入的錯誤，增強了數據的傳輸的可靠性。

4.3 使用低速率傳輸技術

使用低速率傳輸技術，適應遠距離傳輸場景LoRa 最高通信速率為 300kbps，正適用于水表遠距離傳輸的場景，由于采用擴頻技術，信道帶寬占用比較多，因而只能犧牲傳輸速度。另外，傳輸速度和傳輸距離是成反比的關系，因此越是需要遠距離傳輸的場景越需要使用低速的傳輸性能。

4.4 切換 LoRa 工作狀態，保障低功耗

為了保證智能水表低功耗的狀態，因此需要對 LoRa 切換工作狀態的技術進行研發，達到休眠模式下的功耗只有 8uA 左右。采用的方案是在發送數據的工作模式下，LoRa 則采用擴頻技術，信噪比要求低，信號收發時間短，每天會隨機時間喚醒上傳數據避免信道沖突。在非工作模式下，LoRa 節點可以進入休眠模式，達到契合電池供電產品的形態。

4.5 采用星型結構，增大網絡容量

LoRa 的網絡結構采用星型結構，在星型網絡中可以存在數萬個終端，以適應通信距離遠的需求。

5 技術路線圖及技術指標

5.1 智能水表解決方案示意圖

如圖2 所示。

5.2 智能水表內部設計

如圖3 所示。

5.3 技術指標

技術指標如表1 所示。

6 結語

本項目基于 LoRaWAN 通信技術的智慧水表解決方案能夠實現水量計量及上報，閥控、遠程監控管理等功能，采用 LoRa 調制技術，遵循 LoRaWAN 無線傳輸協議，配合 LoRaWAN 或者中興克拉網關使用，實現遠程監控和智能管理，非常適應市場需求前景。