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

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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)。
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