CN113596622A - 一种基于lora无线通信技术的水表数据采集终端 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，包括处理器以及分别与处理器连接的具有LoRa模块的无线通信模块、采集模块、RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块、数据预测模块；所述LoRa模块的无线通信模块用于将RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块和数据预测模块的数据传输至处理器或客户端，保证数据传输准确率同时降低能耗；增加了用户用水量预测功能,对水表历史数据进行分析,并准确预测用户下一阶段的水量使用情况.在本系统开发过程中,利用LoRa技术使数据在保证准确率的同时,尽量节省抄表数据传输过程中的能耗。
Description
技术领域
本公开涉及一种基于LORA无线通信技术的水表数据采集终端。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。
联网技术已广泛应用于智能家居,智慧城市等领域.近年来出现的Lang Range(即LoRa)技术,属于最新兴起的物联网应用技术之一,在一些领域已经逐步代替了 Zigbee,蓝牙,Wifi等技术.LoRa技术是一种远距离,低功耗,低成本,传输速率低的无线通信技术,主要应用于数据采集,环境指数分析,人体数据监测等领域。
然而用户用水时存在水量供给不匹配，水压难以满足正常用水问题，存在对于提前预知水量需求进而实时调配用水水压保证正常供水，但目前对于数据处理水表数据采集等方面存在一定技术问题，使得无法有效对用户用水量进行准确预测，而如何提高用水表数据用水量的数据采集和预测是目前急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，包括处理器以及分别与处理器连接的具有LoRa模块的无线通信模块、采集模块、RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块、数据预测模块；所述LoRa模块的无线通信模块用于将RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块和数据预测模块的数据传输至处理器或客户端，保证数据传输准确率同时降低能耗。
所述处理器还包括第一电容、第一电阻及第二电容，第一电容的一端与主控制器的调控端连接，且主控制器的调控端通过第十电阻与复位电路的复位开关连接。
所述LoRa模块的引脚15、13和9接地，引脚10与电源模块连接，引脚18与接 地电容R14连接，引脚1和2分别通过电阻R7和电阻R8与发光二极管LED1和LED2，发光二极管 LED1和LED2的另一端均接地。
所述采集模块包括以太网接口、通信接口以及微控制单元，所述通信接口通过SPI总线与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述以太网接口连接。
所述RFID模块包括RFID射频芯片和RFID射频天线，RFID射频芯片具有全球唯一ID号，RFID射频芯片内可储存仪表用户的信息，并且也可利用芯片唯一ID号属性和仪表用户进行关联储存于计算机服务器。
所述NFC模块包括NFC标签传输及存储模块和NFC天线；NFC天线用于感应所述NFC终端的射频信号，并为所述NFC标签传输及存储模块提供电源；NFC标签传输及存储模块通过RF通道与所述NFC终端通信。
所述摄像模块包括摄像头和传输线路，摄像头用于采集图像数据，并通过传输线路将数据传输至处理器。
所述显示模块包括至少一个LED光柱，光源发射模块用于发射原始光源信号，光源接收模块用于接收原始光源信号，将原始光源信号转换为目标电信号。
所述音频模块具有音频信号输入端，音频信号通过所述音频信 号输入端进入所述音频模块，所述音视频一体设备进一步包括音频信号切换控件，所述音频信号切换控件与所述音频信号输入端电连接。
数据预测模块包括数据对比单元、数据拟合单元、存储单元和数据预测单元，数据预测单元对拟合曲线的预测依据拟合曲线的斜率，对数据拟合模块的拟合曲线的趋势进行预测；所述的数据比对模块用于对数据采集模块和数据预测模块的结果与预设值进行比对，并将比对结果传输至数据收发模块中；所述的存储单元用于存储现场检测单元输入的信息以及预设数据输入模块输入的预设信息。
与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：
1、本申请包括处理器以及分别与处理器连接的具有LoRa模块的无线通信模块、采集模块、RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块、数据预测模块，以LoRa技术为基础,以远程抄表系统为研究对象,对基于LoRa网络结构的远程抄表系统中的相关技术做重点研究.首先,设计了基于LoRa的远程抄表系统的总体架构,总体架构中各个设备具有不同的功能,主要可分为水表终端,LoRa模块,中继器,系统网关,应用服务器五方面,水表的主要功能为采集用户用水量。LoRa模块通过中继器与水表连接,向水表发送命令以实时接收表内准确的数据信息,并将数据远距离发送至网关。网关接收到原始数据后,将数据打包,通过以太网,4G将数据上传到后台服务器.为了防止节点数据在发送过程中,被其它服务器恶意截获,本文对数据进行加密处理,保护数据安全.应用服务器对原始数据进行解析,实时将数据可视化呈现出来,以供用户使用,为了方便用户,本系统增加了用户用水量预测功能,对水表历史数据进行分析,并准确预测用户下一阶段的水量使用情况.在本系统开发过程中,利用LoRa技术使数据在保证准确率的同时,尽量节省抄表数据传输过程中的能耗。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例提供的基于LORA无线通信技术的水表数据采集终端结构图；
图2为图1所示实施例中的LoRa模块的原理图；
图3为图1所示实施例中水表数据采集终端的处理器电路图。
图4为本申请实施例提供的显示模块的结构示意图。
其中，101、处理器；102、电源模块；103、无线通信模块；104、采集模块；105、RFID模块；106、近场通信NFC模块；107、摄像模块；108、显示模块；109、操控模块；110、音频模块；111、USB模块；112、数据预测模块。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如图1所示，一种基于LoRa通信技术的用电数据采集终端包括用于供电的电源模块102、处理器101以及分别与处理器101连接的具有LoRa模块的无线通信模块103、采集模块104、RFID模块105、近场通信NFC模块106、摄像模块107、显示模块108、操控模块109、音频模块110、USB模块111、数据预测模块112。所述LoRa模块的无线通信模块用于将RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块和数据预测模块的数据传输至处理器或客户端，保证数据传输准确率同时降低能耗。
所述处理器为物联网智能水表中信息安全管理模块的核心部分，用于执行相应的程序以及数据加密，在本申请的又一实施例中，上述处理器为直接采用现有技术中可执行加密算法的中央处理器或单片机，例如EFM32。
作为其中一种实施方式，如图3所示，所述处理器(100A、100B)还包括第一电容C101、第一电阻R101及第二电容C102。具体地，第一电容C101的一端与主控制器 U1A的调控端(对应NPOR端)连接，且主控制器U1A的调控端(对应NPOR 端)通过第十电阻R203与复位电路200的复位开关K202连接。具体为，且主控制器U1A的调控端(对应NPOR端)与复位开关K202的一端(对应1 脚)连接，复位开关K202的另一端(对应2脚)与公共端连接，通过复位开关K202可对操控平台进行复位控制。所述第一电阻R101及第二电容C102的一端与主控制器U1A的时钟输入端(对应CLKIN端)连接，第一电阻R101的另一端与外部时钟信号输出端(对应 PTC-CLKOUT1端)连接，即外部输入的时钟脉冲为主控制器U1A工作提供脉冲信号。在一些实施方式中，USB接口电路300包括第十一电阻R301、第十二电阻R302、第一三极管Q301、第二三极管Q302及调控器U301，其中，第一三极管Q301及第二三极管Q302为NPN型三极管，均有开关及放大的作用。调控器U301用于调节及控制外部设备与主控制器U1进行数据交互。具体地，第十一电阻R301的一端与主控制器U1B的电控端(对应 OTG-VBUS端)连接，第十一电阻R301的另一端及第一三极管Q301的集电极与调控器U301的使能端(对应EN端)连接。第十二电阻R302的一端与主控制器U1B的识别端(对应OTG-ID端)连接，第十二电阻R302的另一端分别与第一三极管Q301的基极及第二三极管 Q302的集电极共同连接，第二三极管Q302的基极通过第十三电阻R303与主控制器U1C(图中未示出)的使能端(对应HOST-EN端)连接，即主控制器 U1C输出电平信号，以对调控器U301进行控制。在一些实施方式中，数据电路400还包括第十八电阻R401及上拉电阻排 (对应R403-R409)。其中，上拉电阻排(对应R403-R409)将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用。第十八电阻R401的一端与收发器U401的时钟信号端(对应CLK端)连接，第十八电阻R401的另一端与外部电路的时钟信号输出端 (FLASH0-DQS/EMMC-CLKO端)连接，即外部电路输出的脉冲时钟信号经第十八电阻R401输入收发器U401。上拉电阻排(对应R403-R409)的一端与电源端(对应VCCIO-FLASH端) 连接，上拉电阻排(对应R403-R409)的另一端对应于收发器U401的管脚(对应DATA0-DATA7)连接，通过上拉电阻排(对应R403-R409)可将不确定的信号钳位在高电平，以保证收发器U401的稳定性。
所述LoRa模块为扩频通信方式，实现周边多节点间的数据交互，可传输距离为 3～ 5KM，结合上述处理器101的设置，可以在一定距离内进行实时数据传输和存储，与即将用电信息发送至近端接收设备。如图2所示，LoRa模块的引脚15、13和9接地，引脚10与电源模块连接，引脚18与接 地电容R14连接，引脚1和2分别通过电阻R7和电阻R8与发光二极管LED1和LED2，发光二极管 LED1和LED2的另一端均接地。发光二极管LED1和LED2用于显示LoRa模块的工作状态，以方便后期运维。
所述采集模块包括以太网接口、通信接口(W5500、CAN口、RS485、小无线等接口)以及微控制单元(MCU)，所述通信接口通过SPI总线与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述以太网接口连接；所述通信接口用于接收用电信息、对应接口的电平或工作状态；所述以太网接口用于上传所述微控制单元的注册信息，上传所述通信接口获得的用电信息，上传本采集模块的工作状态，接收所述总线控制单元下达的任务指令；所述微控制单元用于控制所述以太网接口和所述通信接口进行对上或对对下通信，根据所述任务指令控制本采集模块的工作状态。也就是说，各采集模块与处理器101之间，可以在主控模块缺失的情况下，直接通过总线控制单元所连接的通信模块实现与处理器101之间的交互。通信模块可通过总线控制单元沟通处理器101与各采集模块，这样的设计，可以保证各采集模块的数据不受主控模块故障的影响，均能够及时上报至处理器101。进一步加强整体系统的容错能力，使得数据传输更加稳定可靠。所述注册信息可根据各接口地址以及对应接口的电平情况确定。
所述RFID模块包括RFID射频芯片和RFID射频天线104，RFID射频芯片具有全球唯一ID号，RFID射频芯片内可储存仪表用户的信息，并且也可利用芯片唯一ID号属性和仪表用户进行关联储存于计算机服务器。RFID射频芯片内储存的用户信息可以通过RFID读写器或者RFID移动终端进行擦写修改，同时该RFID射频芯片具有高强度的数据加密能力，确保无权限人员无法操作和查看数据。RFID射频芯片采用高频通讯协议。当外部RFID读写器或者RFID移动手持终端靠近该无源自发电仪表自动抄读装置时，其发射的微弱电磁场会触发该无源自发电仪表自动抄读装置的电磁能量收集模块进行能量的收集并转化为电能，以驱动光电发射电路板109和光电接收电路板108完成对光电计数字轮114度数的自动采集。上述自动采集完成后，采集到的数据可以通过RFID模块直接和外部RFID读写器或者RFID移动手持终端进行交互上传。在光电发射电路板109和光电接收电路板108完成对光电计数字轮114度数采集的同时，RFID射频芯片内部储存的仪表用户信息也一并完成和外部RFID读写器或者RFID移动手持终端进行交互上传。
所述近场通信NFC模块用于接收所述处理器1发送的待传输数据，并将所述待传输数据进行远传；所述NFC模块包括NFC标签传输及存储模块和NFC天线；NFC天线用于感应所述NFC终端的射频信号，并为所述NFC标签传输及存储模块提供电源；NFC标签传输及存储模块通过RF通道与所述NFC终端通信，并通过I2C或SPI通道与所述MCU通信。所述NFC天线为4.7uH电感。
所述摄像模块107包括摄像头和传输线路，摄像头用于采集图像数据，并通过传输线路将数据传输至处理器1，通过安装于计量仪表上的仪表前端摄像头采集计量仪表读数图像。仪表前端摄像头还包括用于为摄像头提供光源的辅助光源。
所述显示模块108包括至少一个LED光柱，光源发射模块用于发射原始光源信号，光源接收模块用于接收原始光源信号，将原始光源信号转换为目标电信号，并向处理模块发送目标电信号，处理器用于对目标电信号进行处理，得到目标光能量信号，并向多通道光能量显示模块发送目标光能量信号，多通道光能量显示模块用于显示目标光能量信号。
所述音频模块110具有音频信号输入端，音频信号通过所述音频信 号输入端进入所述音频模块，所述音视频一体设备进一步包括音频信号切换控件，所述音频信号切换控件与所述音频信号输入端电连接，用于在所述音 视频一体设备有多路音频信号输入时，对所述多路音频信号进行切换控制， 以使其中一路音频信号通过所述音频信号输入端输入至所述音频模块进行处理。
所述USB模块包括USB端口，通过USB端口可以传输数据。
所述数据预测模块112包括数据对比单元、数据拟合单元、存储单元和数据预测单元，数据预测单元对拟合曲线的预测依据拟合曲线的斜率，对数据拟合模块的拟合曲线的趋势进行预测；所述的数据比对模块用于对数据采集模块和数据预测模块的结果与预设值进行比对，并将比对结果传输至数据收发模块中；所述的存储单元用于存储现场检测单元输入的信息以及预设数据输入模块输入的预设信息；所述的预警终端用于显示预警信息，所述的预警终端包括计算机、PAD以及智能手机；所述的预设数据输入模块用于输入预设值。
所述电源模块可采用蓄电池为处理器及各个模块供电。
本申请以LoRa技术为基础,以远程抄表系统为研究对象,对基于LoRa网络结构的远程抄表系统中的相关技术做重点研究.首先,设计了基于LoRa的远程抄表系统的总体架构,总体架构中各个设备具有不同的功能,主要可分为水表终端,LoRa模块,中继器,系统网关,应用服务器五方面,水表的主要功能为采集用户用水量。LoRa模块通过中继器与水表连接,向水表发送命令以实时接收表内准确的数据信息,并将数据远距离发送至网关。网关接收到原始数据后,将数据打包,通过以太网,4G将数据上传到后台服务器.为了防止节点数据在发送过程中,被其它服务器恶意截获,本文对数据进行加密处理,保护数据安全。应用服务器对原始数据进行解析,实时将数据可视化呈现出来,以供用户使用,为了方便用户,本系统增加了用户用水量预测功能,对水表历史数据进行分析,并准确预测用户下一阶段的水量使用情况.在本系统开发过程中,利用LoRa技术使数据在保证准确率的同时,尽量节省抄表数据传输过程中的能耗。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，包括处理器以及分别与处理器连接的具有LoRa模块的无线通信模块、采集模块、RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块、数据预测模块；所述LoRa模块的无线通信模块用于将RFID模块、近场通信NFC模块、摄像模块、显示模块、操控模块、音频模块、USB模块和数据预测模块的数据传输至处理器或客户端，保证数据传输准确率同时降低能耗。
2.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述处理器还包括第一电容、第一电阻及第二电容，第一电容的一端与主控制器的调控端连接，且主控制器的调控端通过第十电阻与复位电路的复位开关连接。
3.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述LoRa模块的引脚15、13和9接地，引脚10与电源模块连接，引脚18与接 地电容R14连接，引脚1和2分别通过电阻R7和电阻R8与发光二极管LED1和LED2，发光二极管 LED1和LED2的另一端均接地。
4.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述采集模块包括以太网接口、通信接口以及微控制单元，所述通信接口通过SPI总线与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述以太网接口连接。
5.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述RFID模块包括RFID射频芯片和RFID射频天线，RFID射频芯片具有全球唯一ID号，RFID射频芯片内可储存仪表用户的信息，并且也可利用芯片唯一ID号属性和仪表用户进行关联储存于计算机服务器。
6.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述NFC模块包括NFC标签传输及存储模块和NFC天线；NFC天线用于感应所述NFC终端的射频信号，并为所述NFC标签传输及存储模块提供电源；NFC标签传输及存储模块通过RF通道与所述NFC终端通信。
7.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述摄像模块包括摄像头和传输线路，摄像头用于采集图像数据，并通过传输线路将数据传输至处理器。
8.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述显示模块包括至少一个LED光柱，光源发射模块用于发射原始光源信号，光源接收模块用于接收原始光源信号，将原始光源信号转换为目标电信号。
9.如权利要求1所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，所述音频模块具有音频信号输入端，音频信号通过所述音频信 号输入端进入所述音频模块，所述音视频一体设备进一步包括音频信号切换控件，所述音频信号切换控件与所述音频信号输入端电连接。
10.如权利要求9所述的基于LoRa通信技术的用电数据采集终端，其特征在于，数据预测模块包括数据对比单元、数据拟合单元、存储单元和数据预测单元，数据预测单元对拟合曲线的预测依据拟合曲线的斜率，对数据拟合模块的拟合曲线的趋势进行预测；所述的数据比对模块用于对数据采集模块和数据预测模块的结果与预设值进行比对，并将比对结果传输至数据收发模块中；所述的存储单元用于存储现场检测单元输入的信息以及预设数据输入模块输入的预设信息。
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