LoRa智慧水務解決方案

方案概述

抄水表的方案有很多種技術可以實現，目前主要有有線抄表和無線抄表兩大類別。在各種抄表技術中，無線抄表技術是比較容易被接受的，因為不需要現場布線，安裝方便維護更新簡單。但一些無線技術也存在著一些應用上的問題，如FSK距離短、穿透力差、無線信號不穩定，GPRS又太耗電。LoRa技術的出現為抄表應用解決了傳輸距離、網絡信號和耗電等問題。本文推薦一個基于LoRaWAN的智慧水務解決方案。

下圖是基于LoRaWAN網絡架構的水表系統框圖：

本方案采用了LoRaWAN網絡的標準架構，并將傳統的水表終端改造成了LoRa水表終端，網絡服務器部分還針對抄水表的數據業務特點進行了相應地優化。

LoRa智慧水務解決方案架構

下圖是本方案的架構示意圖：

終端層 - 方案提供了具有LoRa功能的PCBA，并且對目前的水氣表PCBA的刷膠工藝進行了改進，采用防水盒式設計，方便后期的維護和軟件更新。LoRa天線針對水表的安裝環境進行了設計和優化，收發性能良好。

網絡層 - 采用了基于LoRaWAN的協議標準，并針對水表數據業務進行了優化處理。低功耗廣域（LPWA）技術為大規模數據采集系統的應用提供了很好的技術支撐。針對LoRa網絡信號的盲區，還設計了一款低成本的LoRa中繼設備，解決了LoRa網絡覆蓋的問題。目前，從試點的效果來看比較理想。

云平臺 - 智能硬件云平臺提供集群部署、協議和服務管理等。LoRaWAN的網絡服務器（NS）可以私有云部署，也可以公有云部署，更方便項目靈活地部署。

應用層 - 智能水務應用平臺負責運維管理、數據可視化等

LoRa 水表產品

下圖是水表和模塊實物圖片：

為解決后期的MCU固件升級更新問題，本方案還設計了一款工具和軟件，可通過近距離無線升級方式（OTA），無需拆卸表殼，節省了維護成本，提高了效率。

主要功能介紹：

• zui低-147dBm的高鏈路靈敏度

• zui大20公里的空空通信距離

• 1.5~2.5公里的城市密集區域通信距離

• zui大20層的跨樓層通信能力

• zui低5uA的超低功耗設計，確保產品6~10年的有效使用周期

• 高精度脈沖數目計數誤差：±1個/年

• 低延遲遠程喚醒功能

• 智能OTA升級功能

• *的防偷盜水功能，遠程自動報警

• 支持外部磁信號強制觸發喚醒功能

•  無縫對接水表設備云及自來水廠管理平臺，保證數據安全性

   

LoRa 模組

LoRa模組的主芯片采用了Semtech公司的SX1278和ST公司的超低功耗MCU STM32051C8。模組頻率采用了中國適用頻段470-510MHz，支持LoRaWAN標準協議。

主要功能介紹：

• 內置STM32L051C8處理器

• 支持LoRaWAN™ 1.0協議棧

• 支持LoRaWAN™ Class A、Class C

• 使用TCXO

• zui大鏈路預算可達168dB

• 127dB的RSSI動態范圍

• 9.9mA低接收電流，200nA待機電流

• 支持AES128/SM4等多種安全加密

• 支持FSK、GFSK、LoRa™等調制方式

• 自動射頻信號檢測,CAD模式和超高速AFC

多種加密技術（AES128/SM4）保證了網絡和數據的安全。

LoRa 網關

LoRa網關符合LoRaWAN協議規范，支持多信道并發，POE供電，帶有GPS功能，回程采用3G/4G/WiFi等多種鏈路。LoRa網關經過抗干擾優化設計，可滿足各種不同的環境應用。

主要功能介紹：

• 可同時接收同一信道流量

• 易于擴展，增加網絡容量

• 可同時解調2MHz的帶寬

• 簡單的星形網絡一沒有延遲

• 自適應鏈路速率

• 同時通訊節點10萬指標

• 發射功率27dBm

• 鏈路靈敏度-157dBm

   

LoRa 網絡服務器

LoRa網絡服務器可進行私有化部署或公有云部署，公有云如阿里云等。

主要功能介紹：

• LoRaWAN. MAC

• GW網管及配置

• EN配置及OTA

• 與應用服務器數據交互

• 基于源數據選擇的下游路徑

• RTCM高精度定位差分數據廣播( 選購)

• 調度下行流量

• GWM接入數量：2000臺

• EN接入數量：>100萬

   

云平臺及應用平臺

智能水表應用平臺主要功能介紹：

• 抄表管理（設置，小區、水廠管理等）

• 產品生命周期管理（測試、安裝、追溯）

• 運營管理（監控、升級、記錄等）

• 數據可視化（統計、查詢、圖表、報表）

智能硬件云平臺主要功能介紹：

• 采用Dubbo分布式框架支持大容量高并發請求

• 采用Docker容器集群部署節約資源和時間

• 支持OAuth2.0協議認證*

• 支持多協議通信（HTTP, MQTT, TCP/UDP等)

• 實時請求服務治理和服務監控

   

智能抄表管理平臺、收費平臺&智慧生活App

下圖是抄表系統后臺管理界面截圖和App界面截圖，提供了可視化的數據管理后臺。

產品測試及測試設備

產品的研發和生產離不開測試儀器儀表，專業完善的儀器儀表保證了方案設計的品質。

結語

本方案基于標準的LoRaWAN協議而設計，針對抄水表的數據業務而優化。在實際進行LoRaWAN網絡部署的時，難免會存在信號的盲區，為此專門設計了低成本LoRaWAN網絡的補盲中繼器，實現了LoRaWAN網絡信號的*覆蓋。為方便水表的維護和升級還設計了一款空中升級工具，無需打開表殼，就可以進行MCU固件的升級操作，方便了現場的維護和軟件更新。