CN206330636U - LoRa水表监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于智慧水务系统技术领域，具体涉及一种应用LoRa技术的水表监测控制系统；具体技术方案为：LoRa水表监测控制系统，包括微控制器，水表计数器将采集到的信号传输给微控制器进行处理，微控制器与LoRa射频模块通过SPI总线连接，LoRa网关射频通信模块接收LoRa射频模块发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器，LoRa网关亦可将服务器发来的数据转发给LoRa水表模块，LoRa网关和LoRa水表模块终端采用扩频无线通信技术最远可达20公里的通信距，LoRa水表模块可以在不同的LoRa网关之间无缝漫游通信，延时小，更好地提高系统通信实时性要求。

Description

LoRa水表监测控制系统

技术领域

本实用新型属于智慧水务系统技术领域，具体涉及一种应用LoRa技术的水表监测控制系统。

背景技术

随着社会发展和技术进步，水资源管理重视度越来越高，从水源地、河流、湖泊、水库、供水管网到居民厨房，从雨量、空气湿度、江河流量到地下水位，人们对水资源精细化管理与控制要求越来越高，水表作为收取水费的计量工具，经过几十年的发展，每年有近千万台的市场，但当前水表存在诸多缺陷，无法满足要求，具体缺陷体现如下：

一、抄表方式落后：当前市场上有机械水表、IC接触式或非接触式阀控水表、各种协议的有线集抄水表、传统射频无线远传水表，机械式与IC卡水表无法实现远程自动抄表，需消耗大量的人力物力，也为抄表人员灰色操作留下空间。有线集抄方式需要大量的布线，使用中容易发生断线接触不良故障，需要集中器数量多，假设一台集中器负载256（已是最大负荷）块表，一个几千人的小区需要几十台集中器，造成了安装成本高、运行通信费用贵、管理复杂化。传统无线水表，虽然解决了布线问题，但通信距离近，需要大量的网关和中继，使得十几年前就出现的产品到现在都处于小范围试验中。

二、通信距离近：有线集抄由于总线特性，无法长距离传输数据，集中器只能抄收本楼栋水表，传统无线水表信号最多能穿透6层楼板，空旷距离最远只能达到1.2公里。

三、功耗高：有线集抄方式需要为集中器提供220V与总线供电，无线抄表发射电流在30mA以上。

实用新型内容

为解决现有水表存在的成本高、传输距离短和设备复杂的技术问题，本实用新型提供了一种应用在智慧水务系统中的低功耗通信水表。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为： LoRa水表监测控制系统，包括微控制器、水表计数器和LoRa射频模块，微控制器与水表计数器连接，水表计数器将采集到的信号传输给微控制器进行处理，微控制器与LoRa射频模块通过SPI总线连接，微控制器的信号通过LoRa射频模块将信号传输出去，LoRa网关射频通信模块接收LoRa射频模块发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器，LoRa网关同时担任将服务器发来的数据转发给LoRa水表模块。

水表计数器包括阀门控制器、多个系统日志采集器、故障检测模块、计划任务模块和计数模块，阀门控制器的信号输出端口与微控制器的信号输入端口连接，阀门控制器用以控制对电动阀门的控制，多个系统日志采集器、故障检测模块和计划任务模块并列连接在微控制器上，多个系统日志采集器可实现实时的日志信息分布式采集，装置的扩展性强，具有良好的维护性，保证日志采集的准确性，故障检测模块用以自动检测本系统的故障位置，计划任务模块内设定有计划任务列表和计划任务监视模块，用于定时判断计划任务列表中是否有计划任务需要执行，若有计划任务执行，则触发任务须条用的应用。计数模块与微控制器连接，实现水表的技术采集和前端传输。

微控制器上还连接有电源模块，电源模块设计了4-20mA电流环采集模块，用于采集各种传感器电流信号，该系统上设计的接口具有通用性，升级更换水表或应用方式改变时，无需更换LoRa水表模块。

LoRa射频模块内设有射频天线，LoRa射频模块与LoRa网关无线连接，该系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集，LoRa水表模块通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa水表模块，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成本。

其中，作为优选的信号传输方式，LoRa射频模块通过137-1020MHz的无线信号与LoRa网关无线连接。

微控制器上配置有欠压检测模块，欠压检测模块用以检测电源模块是否欠压，保证整个系统的稳定运行。

本系统还包括PCB板和设置在PCB板上的外围控制电路模块，PCB板的两侧均开有螺纹孔，PCB板的多个螺纹孔内均穿装自攻螺钉固定，微控制器置于PCB板的中部，外围控制电路模块与微控制器平行布置，射频天线置于PCB板的一侧，PCB板上还开有多个计数线孔和多个电机线孔，水表计数器通过多个计数线孔连接与微控制器连接，微型电机通过多个电机线孔与电源模块连接。

电源模块为高能锂电池，电源模块可供LoRa水表监测控制系统使用5-10年。

微控制器上还集成有外部存储器，可对采集数据进行记录，也可以对运行参数做日志记录。

本实用新型主要解决了低成本、远距离和低功耗通信在智慧水务中的远传水表应用，具体优势体现在：

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的采集，LoRa水表模块通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa水表模块，即可接入5000个水表，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LoRa水表模块终端采用扩频无线通信技术最远可达20公里的通信距，LoRa水表模块和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时LoRa水表模块可以在不同的LoRa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：LoRa水表模块采用低功耗设计，采用单节高能电池供电，一节3200MA电池可以使用5-10年，与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示意图。

图中，1为微控制器，2为水表计数器，3为LoRa射频模块，4为阀门控制器，5为系统日志采集器，6为故障检测模块，7为计划任务模块，8为计数模块，9为电源模块，10为射频天线，11为LoRa网关，12为欠压检测模块，13为PCB板，14为螺纹孔，15为外围控制电路模块，16为计数线孔，17为电机线孔，18为外部存储器，19为SPI总线。

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、图2所示，LoRa水表监测控制系统，包括微控制器1、水表计数器2和LoRa射频模块3，微控制器1与水表计数器2连接，水表计数器2将采集到的信号传输给微控制器1进行处理，微控制器1与LoRa射频模块3通过SPI总线19连接，微控制器1的信号通过LoRa射频模块3将信号传输出去，LoRa网关11射频通信模块接收LoRa射频模块3发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器，LoRa网关11同时担任将服务器发来的数据转发给LoRa水表模块。该LoRa水表模块适用于物联网系统的远程监控及管理，通过LoRa扩频无线信号传给LoRa网关11，实现水表的技术采集和前端传输，LoRa水表模块内还集成了硬件RS485/232接口，系统内嵌Modbus/RTU协议。

水表计数器2包括阀门控制器4、多个系统日志采集器5、故障检测模块6、计划任务模块7和计数模块8，阀门控制器4的信号输出端口与微控制器1的信号输入端口连接，阀门控制器4用以控制对电动阀门的控制，多个系统日志采集器5、故障检测模块6和计划任务模块7并列连接在微控制器1上，多个系统日志采集器5可实现实时的日志信息分布式采集，装置的扩展性强，具有良好的维护性，保证日志采集的准确性，故障检测模块6用以自动检测本系统的故障位置，计划任务模块7内设定有计划任务列表和计划任务监视模块，用于定时判断计划任务列表中是否有计划任务需要执行，若有计划任务执行，则触发任务须调用的应用。计数模块8与微控制器1连接，实现水表的技术采集和前端传输。

微控制器1上还连接有电源模块9，电源模块9设计了4-20mA电流环采集模块，用于采集各种传感器电流信号，该系统上设计的接口具有通用性，升级更换水表或应用方式改变时无需更换LoRa水表模块。

LoRa射频模块3内设有射频天线10，LoRa射频模块3与LoRa网关11无线连接，该系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集。

其中，作为优选的信号传输方式，LoRa射频模块3通过137-1020MHz的无线信号与LoRa网关11无线连接，LoRa射频模块3根据实际需要选择合适的频率。

微控制器1上配置有欠压检测模块12，欠压检测模块12用以检测电源模块9是否欠压，保证整个系统的稳定运行。

如图3所示，本系统还包括PCB板13和设置在PCB板13上的外围控制电路模块15，PCB板13的两侧均开有螺纹孔14，PCB板13的多个螺纹孔14内均穿装自攻螺钉固定，微控制器1置于PCB板13的中部，外围控制电路模块15与微控制器1平行布置，射频天线10置于PCB板13的一侧，PCB板13上还开有多个计数线孔16和多个电机线孔17，水表计数器2通过多个计数线孔16与微控制器1连接，微型电机通过多个电机线孔17与电源模块9连接。

微控制器1上还集成有外部存储器18，可对采集数据进行记录，也可以对运行参数做日志记录。

LoRa水表模块采用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 协议更好地实现了多节点通信，更好地保证了数据接收的稳定性。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。

工作流程: LoRa网关11射频通信模块接收LoRa水表模块发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器。LoRa网关11同时担任服务器发来的数据转发给LoRa水表模块。

LoRa水表模块采用32位低功耗MCU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，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，有效地实现了低功耗通信的要求。本系统内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3200mAh高能锂电池可供节点使用5-10年。

LoRa水表模块内嵌数字滤波器，通过对采集的原始数据分析过滤，来保证数据的准确性。

LoRa水表模块通过LoRa网关11接入互联网，每个LoRa网关11可以接入多达5000个LoRa水表模块，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。以一个采集器终端通信服务费每年120元计算，5000个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，此费用大约为每年600-2000元。

LoRa网关11和LoRa水表模块终端采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距，LoRa水表模块和LoRa网关11之间采用星型拓扑结构，同时LoRa水表模块可以在不同的LoRa网关11之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好的满足了系统实时通信要求。

LoRa水表模块终端采用低功耗设计，采用单节高能电池供电。一节3200MA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更加低成本，比现有的无线通信技术功耗降低了数倍。

本系统适合在城市大规模高密度的水表使用，也适应野外无人值守的遥测控制。

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.LoRa水表监测控制系统，其特征在于，包括微控制器（1）、水表计数器（2）和LoRa射频模块（3），微控制器（1）与水表计数器（2）连接，微控制器（1）与LoRa射频模块（3）通过SPI总线（19）连接；

所述水表计数器（2）包括阀门控制器（4）、多个系统日志采集器（5）、故障检测模块（6）、计划任务模块（7）和计数模块（8），所述阀门控制器（4）的信号输出端口与微控制器（1）的信号输入端口连接，多个系统日志采集器（5）、故障检测模块（6）和计划任务模块（7）并列连接在微控制器（1）上，计数模块（8）与微控制器（1）连接；

所述微控制器（1）上还连接有电源模块（9）。

2.根据权利要求1所述的LoRa水表监测控制系统，其特征在于，所述LoRa射频模块（3）内设有射频天线（10），LoRa射频模块（3）与LoRa网关（11）无线连接。

3.根据权利要求2所述的LoRa水表监测控制系统，其特征在于，所述LoRa射频模块（3）通过137-1020MHz的无线信号与LoRa网关（11）无线连接。

4.根据权利要求3所述的LoRa水表监测控制系统，其特征在于，所述微控制器（1）上配置有欠压检测模块（12）。

5.根据权利要求4所述的LoRa水表监测控制系统，其特征在于，还包括PCB板（13）和设置在PCB板（13）上的外围控制电路模块（15），PCB板（13）的两侧均开有螺纹孔（14），所述微控制器（1）置于PCB板（13）的中部，外围控制电路模块（15）与微控制器（1）平行布置，射频天线（10）置于PCB板（13）的一侧，所述PCB板（13）上还开有多个计数线孔（16）和多个电机线孔（17）。

6.根据权利要求5所述的LoRa水表监测控制系统，其特征在于，所述电源模块（9）为高能锂电池。

7.根据权利要求5所述的LoRa水表监测控制系统，其特征在于，所述微控制器（1）上还集成有外部存储器（18）。