CN206302424U - 一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于低功耗扩频通信技术领域，涉及一种应用LoRa技术的流量采集系统；具体技术方案为：一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，包括PCB板和安装在PCB板上的微控制器，微控制器的信号输入端与流量修正器的信号输出端连接，流量修正器的信号输入端与流量传感器的信号输出端连接，微控制器的信号输出端与LoRa射频模块连接，LoRa射频模块与LoRa网关无线连接，微控制器为总的信号处理终端，超声波测速探头将测到的流速信号传输给流量传感器，流量传感器对流速信号进行计算和处理，并将流速信号转变为流量信号，流量传感器将流量信号传输给微控制器进行处理，流量修正器对流量传感器的流量信号进行修正，成本低。

Description

一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统

技术领域

本实用新型属于低功耗扩频通信技术领域，具体设计一种应用LoRa技术的流量采集系统。

背景技术

随着物联网和无线通信技术的飞速发展，人们与信息网络已经密不可分，无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求。短距离无线通信的低成本、相对其它无线通信技术的低功耗、及其对等通信特征等适应了飞速发展的便捷信息传输的需求。在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，低功耗长距离无线通信技术成为了当今通信领域研究的热点。

目前市面上的流量采集终端主要是基于RTU技术，通过GPRS，3G,4G网络传输采集到的数据，每个采集终端造价高，而且在运营中需要支付给通信公司高额的流量使用费，通信数据受运营商接口的限制，只能遵循运营公司的标准来做传输受到很大的局限，数据传输延时比较大，由于RTU服务器的限制每条数据传输需要有一定的时间间隔，达不到实时性数据传输的要求。

每个终端需要配置大功率的太阳能供电系统，维护成本很高，使用寿命低每隔2年就需要更换蓄电池。

高成本的流量采集终端导致每个地区的流量采集器部署非常有限，稀疏的流量采集数据不足已给防汛抗旱提供准确有效数据分析能力，给国家防汛抗旱工作造成很大的困难，近期大部分地区暴雨灾害非常频繁，迫切需要部署一套有效的低成本遥测终端。

实用新型内容

为解决现有技术存在的高成本、传输距离近和高功耗的技术问题，本实用新型提供了一种应用在智慧水利中的流量采集系统，有效利用LoRa技术，低成本，传输距离远，功耗低。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，包括PCB板和安装在PCB板上的微控制器、超声波测速探头、流量传感器和流量修正器，微控制器的信号输入端与流量修正器的信号输出端连接，流量修正器的信号输入端与流量传感器的信号输出端连接，流量传感器的信号输入端与超声波测速探头连接，微控制器的信号输出端与LoRa射频模块连接，LoRa射频模块与LoRa网关无线连接。

微控制器为总的信号处理终端，超声波测速探头将测到的流速信号传输给流量传感器，流量传感器对流速信号进行计算和处理，并将流速信号转变为流量信号，流量传感器将流量信号传输给微控制器进行处理，流量修正器对流量传感器的流量信号进行修正，保证整个系统的信号处理精确度，LoRa射频模块将微控制器的信号传输给LoRa射频模块，将LoRa技术应用在流量采集系统中，成本低，低功耗，实现远距离通信。

LoRa网关包括嵌入式处理器，嵌入式处理器与LoRa射频收发器之间通过SPI总线连接，SPI总线为高速、同步的通信总线，节约PCB板的结构布局，LoRa射频收发器与LoRa射频模块无线连接，嵌入式处理器通过通信模块与互联网模块连接，嵌入式处理器的信号传输给互联网模块。

LoRa网关与LoRa射频模块之间采用LoRa扩频通信技术，采用LoRa WAN协议，更好地实现了多接点通信，LoRa网关继承了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收稳定性。LoRa射频收发器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的宽带下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

PCB板上设有温度传感器，温度传感器与微控制器连接，温度传感器将温度信号传输给微控制器进行处理。

PCB板上设有指示灯，指示灯与微控制器连接，指示灯用于指示整个系统的运行状态。

PCB板上设有电源模块，电源模块与微控制器连接，电源模块为微控制器供电。

PCB板上设有欠压检测模块，欠压检测模块与微控制器连接，欠压检测模块用于检测整个系统是否欠压，避免整个系统在欠压的工作下工作，

PCB板上设有故障检测模块，故障检测模块与微控制器连接，故障检测模块用于对整个系统的故障点进行检测，实时报告整个系统的运行状态和故障点，实现自动控制。

PCB板上布置有RS232接口，RS232接口与微控制器连接，RS232接口与处理器连接,RS232为一种串行物理接口，此种接口应用范围广泛、价格便宜、编程容易，通信速度快，保证了数据的正常传输。

作为其中一种通信方式，通信模块包括路由器，路由器的信号输入端与嵌入式处理器连接，路由器的信号输出端与互联网模块连接，通信模块的信号通过路由器传输给互联网模块进行处理。

作为另一种优选的通信方式，通信模块包括无线AP，无线AP的信号输入端与嵌入式处理器连接，无线AP的信号输出端与互联网模块连接，通信模块的信号通过无线AP传输给互联网模块进行处理。

LoRa射频模块上设有射频天线，射频天线为470MHz射频天线，射频天线与LoRa网关无线连接。

其中，作为优选的，微控制器与LoRa射频模块通过SPI总线连接。

作为优选的结构布局，电源模块、欠压检测模块与指示灯置于同一侧，温度传感器、流量传感器和流量修正器置于同一侧。

电源模块为3000mAh高能锂电池，3000mAh高能锂电池可以使用5-10年，与传统的太阳能系统供电采集终端相比，成本更低。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果主要体现在：

一、低成本：本系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端服务器的采集，流量采集数据通过LoRa网关接入互联网模块，每个LoRa网关可以接入多达5000个流量采集器，只需要一条互联网接入通道，很大程度地节约了终端采集器的成本。

二、远距离通信：LoRa网关和流量采集器终端采用扩频无线通信技术，最远可达20公里的通信距，多个流量采集器和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时，流量采集器可以在不通的网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高系统通信实时性要求。

三、低功耗：节点终端采用低功耗设计，采用单节高能电池供电，一节3000mAh电池可以使用5-10年，和传统太阳能系统供电采集终端相比，成本更低。

附图说明

图1为本实用新型的控制简图。

图2为本实用新型的控制原理图。

图3为本实用新型的结构布局图。

图4为图1中LoRa网关的控制原理图。

图中，1为PCB板，2为微控制器， 3为超声波测速探头，4为流量传感器，5为流量修正器，6为LoRa射频模块，7为LoRa网关，8为嵌入式处理器，9为射频收发器，10为SPI总线，11为通信模块，12为互联网模块，13为温度传感器，14为射频天线，15为指示灯，16为电源模块，17为欠压检测模块，18为故障检测模块，19为RS232接口，20为路由器，21为无线AP。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-4所示，一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，包括PCB板1和安装在PCB板1上的微控制器2、超声波测速探头3、流量传感器4和流量修正器5，所述微控制器2的信号输入端与流量修正器5的信号输出端连接，流量修正器5的信号输入端与流量传感器4的信号输出端连接，流量传感器4的信号输入端与超声波测速探头3连接，微控制器2的信号输出端与LoRa射频模块6连接，LoRa射频模块6与LoRa网关7无线连接。

微控制器2为总的信号处理终端，超声波测速探头3将测到的流速信号传输给流量传感器4，流量传感器4对流速信号进行计算和处理，并将流速信号转变为流量信号，流量传感器4将流量信号传输给微控制器2进行处理，流量修正器5对流量传感器4的流量信号进行修正，保证整个系统的信号处理精确度，LoRa射频模块6将微控制器2的信号传输给LoRa射频模块6，将LoRa技术应用在流量采集系统中，成本低，低功耗，实现远距离通信。

LoRa网关7包括嵌入式处理器8，嵌入式处理器8与LoRa射频收发器9之间通过SPI总线10连接，SPI总线10为高速、同步的通信总线，节约PCB板1的结构布局，LoRa射频收发器9与LoRa射频模块6无线连接，嵌入式处理器8通过通信模块11与互联网模块12连接，嵌入式处理器8的信号传输给互联网模块12。

其中，单个流量采集系统简称为LoRa节点，LoRa网关7与LoRa节点通信，LoRa网关7和云端服务器采用标准IP网络协议，通用性和可靠性得到保障。

LoRa网关7与LoRa射频模块6之间采用LoRa扩频通信技术，采用LoRa WAN协议，更好地实现了多接点通信，LoRa网关7继承了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收稳定性。LoRa射频收发器9通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的宽带下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

LoRa网关7和LoRa节点采用Lora扩频通信技术，该技术具有低功耗，远距离传输特点，采用LoRa WAN 协议更好的实现了多节点通信，LoRa网关7集成了8通道LoRa射频收发器9，更好的保证了数据接收的稳定性。8通道无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

LoRa节点采用STM32L052低功耗32位MCU做主控器,内嵌LoRaWAN无线通信协议，有信号碰撞检测机制，自适应速率，面对复杂的环境有超强抗干扰机制。LoRa节点自带了ACK信号确认，有效保障了通信可靠性要求，发射功率根据通信距离的RISS值自动调整，有效的实现了低功耗通信的要求。

LoRa节点设计了4-20mA电流环采集模块，用于采集超声波流量传感器4电流信号。该LoRa节点设计满足大部分传感器接口的要求做到了通用性，升级更换传感器或应用方式改变时候无需更换LoRa节点。

流量采集装置是由超声波测速探头3发出高频脉冲声波遇到被测物位（物料）表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号，电信号再通过高精度AD转换器转换成数字信号，通过LoRaWan传送到LoRa网关7，每个LoRa节点有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别流量传感器4的安装位置。

LoRa节点内有数字滤波器，对采集的数据做分析，去掉杂波有干扰的数据。保证数据的准确性。

内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可以对节点运行参数做日志记录。

长距离低功耗是本系统的特点，体现在实际应用中是成本大范围的降低。使得流量采集的密度提高，有效的为防洪抗旱提供第一手数据资料，对抗旱防汛决策起了至关重要的作用。

此系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到互联网通信模块11的采集。LoRa节点通过LoRa网关7接入互联网，每个LoRa网关7可以接入多达5000个LoRa节点，只需要一条互联网接入通道，很大程度的节约了终端采集器的成本。以一个RTU终端通信服务费每年120元计算，5000个LoRa节点每年产生的流量月租费用达5000*120=60万元，而采用此系统运营费用仅需一条普通4m ADSL线路或光纤接入的费用，此费用大约在每年600-2000元。

LoRa网关7和LoRa节点采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距，LoRa节点和LoRa网关7之间采用星型拓扑结构，同时LoRa节点可以在不通的LoRa网关7之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好的提高系统通信实时性要求。

PCB板1上设有温度传感器13，温度传感器13与微控制器2连接，温度传感器13将温度信号传输给微控制器2进行处理。

PCB板1上设有指示灯15，指示灯15与微控制器2连接，指示灯15用于指示整个系统的运行状态。

PCB板1上设有电源模块16，电源模块16与微控制器2连接，电源模块16为微控制器2供电。

PCB板1上设有欠压检测模块17，欠压检测模块17与微控制器2连接，欠压检测模块17用于检测整个系统是否欠压，避免整个系统在欠压的工作下工作，

PCB板1上设有故障检测模块18，故障检测模块18与微控制器2连接，故障检测模块18用于对整个系统的故障点进行检测，实时报告整个系统的运行状态和故障点，实现自动控制。

PCB板1上布置有RS232接口19，RS232接口19与微控制器2连接，RS232接口19与处理器连接,RS232为一种串行物理接口，此种接口应用范围广泛、价格便宜、编程容易，通信速度快，保证了数据的正常传输。

作为其中一种通信方式，通信模块11包括路由器20，路由器20的信号输入端与嵌入式处理器连接，路由器20的信号输出端与互联网模块12连接，通信模块11的信号通过路由器20传输给互联网模块12进行处理。

作为另一种优选的通信方式，通信模块11包括无线AP21，无线AP21的信号输入端与嵌入式处理器连接，无线AP21的信号输出端与互联网模块12连接，通信模块11的信号通过无线AP21传输给互联网模块12进行处理。

互联网通信模块11是数据汇总的中心数据库，该系统实现数据存储，节点终端设备管理，远程设备维护升级，大数据分析，根据历史数据智能校准数据。自建私有云系统，保障数据私密性，数据可视化，数据Web查看、下载、统计分析功能。

LoRa射频模块6上设有射频天线14，射频天线14为470MHz射频天线14，射频天线14与LoRa网关7无线连接。

其中，作为优选的，微控制器2与LoRa射频模块6通过SPI总线10连接。

作为优选的结构布局，电源模块16、欠压检测模块17与指示灯15置于同一侧，温度传感器13、流量传感器4和流量修正器5置于同一侧。

电源模块16为3000mAh高能锂电池，3000mAh高能锂电池可以使用5-10年，与传统的太阳能系统供电采集终端相比，成本更低。

工作流程：LoRa网关7接收LoRa射频模块6的无线信号，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据发送给云服务器，LoRa同时担任服务器发来的数据并转发给LoRa射频模块6。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。

Claims (7)

1.一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，包括PCB板（1）和安装在PCB板（1）上的微控制器（2）、超声波测速探头（3）、流量传感器（4）和流量修正器（5），所述微控制器（2）的信号输入端与流量修正器（5）的信号输出端连接，流量修正器（5）的信号输入端与流量传感器（4）的信号输出端连接，流量传感器（4）的信号输入端与超声波测速探头（3）连接，微控制器（2）的信号输出端与LoRa射频模块（6）连接，LoRa射频模块（6）与LoRa网关（7）无线连接；

所述LoRa网关（7）包括嵌入式处理器（8），嵌入式处理器（8）与LoRa射频收发器（9）之间通过SPI总线（10）连接，LoRa射频收发器（9）与LoRa射频模块（6）无线连接，嵌入式处理器（8）通过通信模块（11）与互联网模块（12）连接；

所述PCB板（1）上设有温度传感器（13），温度传感器（13）与微控制器（2）连接；

所述PCB板（1）上设有指示灯（15），指示灯（15）与微控制器（2）连接；

所述PCB板（1）上设有电源模块（16），电源模块（16）与微控制器（2）连接；

所述PCB板（1）上设有欠压检测模块（17），欠压检测模块（17）与微控制器（2）连接；

所述PCB板（1）上设有故障检测模块（18），故障检测模块（18）与微控制器（2）连接；

所述PCB板（1）上布置有RS232接口（19），RS232接口（19）与微控制器（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，所述通信模块（11）包括路由器（20），路由器（20）的信号输入端与嵌入式处理器（8）连接，路由器（20）的信号输出端与互联网模块（12）连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，所述通信模块（11）包括无线AP（21），无线AP（21）的信号输入端与嵌入式处理器（8）连接，无线AP（21）的信号输出端与互联网模块（12）连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，所述LoRa射频模块（6）上设有射频天线（14）。

5.根据权利要求4所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，所述微控制器（2）与LoRa射频模块（6）通过SPI总线（10）连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，所述电源模块（16）、欠压检测模块（17）与指示灯（15）置于同一侧，温度传感器（13）、流量传感器（4）和流量修正器（5）置于同一侧。

7.根据权利要求6所述的一种基于LoRa技术的遥测流量采集系统，其特征在于，所述电源模块（16）为3000mAh高能锂电池。