本實用新型屬于智慧水務系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種應用LoRa技術的水表監(jiān)測控制系統(tǒng)。

背景技術：

隨著社會發(fā)展和技術進步，水資源管理重視度越來越高，從水源地、河流、湖泊、水庫、供水管網(wǎng)到居民廚房，從雨量、空氣濕度、江河流量到地下水位，人們對水資源精細化管理與控制要求越來越高，水表作為收取水費的計量工具，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，每年有近千萬臺的市場，但當前水表存在諸多缺陷，無法滿足要求，具體缺陷體現(xiàn)如下：

一、抄表方式落后：當前市場上有機械水表、IC接觸式或非接觸式閥控水表、各種協(xié)議的有線集抄水表、傳統(tǒng)射頻無線遠傳水表，機械式與IC卡水表無法實現(xiàn)遠程自動抄表，需消耗大量的人力物力，也為抄表人員灰色操作留下空間。有線集抄方式需要大量的布線，使用中容易發(fā)生斷線接觸不良故障，需要集中器數(shù)量多，假設一臺集中器負載256（已是最大負荷）塊表，一個幾千人的小區(qū)需要幾十臺集中器，造成了安裝成本高、運行通信費用貴、管理復雜化。傳統(tǒng)無線水表，雖然解決了布線問題，但通信距離近，需要大量的網(wǎng)關和中繼，使得十幾年前就出現(xiàn)的產(chǎn)品到現(xiàn)在都處于小范圍試驗中。

二、通信距離近：有線集抄由于總線特性，無法長距離傳輸數(shù)據(jù)，集中器只能抄收本樓棟水表，傳統(tǒng)無線水表信號最多能穿透6層樓板，空曠距離最遠只能達到1.2公里。

三、功耗高：有線集抄方式需要為集中器提供220V與總線供電，無線抄表發(fā)射電流在30mA以上。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有水表存在的成本高、傳輸距離短和設備復雜的技術問題，本實用新型提供了一種應用在智慧水務系統(tǒng)中的低功耗通信水表。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術方案為： LoRa水表監(jiān)測控制系統(tǒng)，包括微控制器、水表計數(shù)器和LoRa射頻模塊，微控制器與水表計數(shù)器連接，水表計數(shù)器將采集到的信號傳輸給微控制器進行處理，微控制器與LoRa射頻模塊通過SPI總線連接，微控制器的信號通過LoRa射頻模塊將信號傳輸出去，LoRa網(wǎng)關射頻通信模塊接收LoRa射頻模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內部做差錯校驗和完整性檢測以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉發(fā)給云服務器，LoRa網(wǎng)關同時擔任將服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉發(fā)給LoRa水表模塊。

水表計數(shù)器包括閥門控制器、多個系統(tǒng)日志采集器、故障檢測模塊、計劃任務模塊和計數(shù)模塊，閥門控制器的信號輸出端口與微控制器的信號輸入端口連接，閥門控制器用以控制對電動閥門的控制，多個系統(tǒng)日志采集器、故障檢測模塊和計劃任務模塊并列連接在微控制器上，多個系統(tǒng)日志采集器可實現(xiàn)實時的日志信息分布式采集，裝置的擴展性強，具有良好的維護性，保證日志采集的準確性，故障檢測模塊用以自動檢測本系統(tǒng)的故障位置，計劃任務模塊內設定有計劃任務列表和計劃任務監(jiān)視模塊，用于定時判斷計劃任務列表中是否有計劃任務需要執(zhí)行，若有計劃任務執(zhí)行，則觸發(fā)任務須條用的應用。計數(shù)模塊與微控制器連接，實現(xiàn)水表的技術采集和前端傳輸。

微控制器上還連接有電源模塊，電源模塊設計了4-20mA電流環(huán)采集模塊，用于采集各種傳感器電流信號，該系統(tǒng)上設計的接口具有通用性，升級更換水表或應用方式改變時，無需更換LoRa水表模塊。

LoRa射頻模塊內設有射頻天線，LoRa射頻模塊與LoRa網(wǎng)關無線連接，該系統(tǒng)利用LoRa擴頻通信技術，實現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)到云端的采集，LoRa水表模塊通過LoRa網(wǎng)關接入互聯(lián)網(wǎng)，每個LoRa網(wǎng)關可以接入多達5000個LoRa水表模塊，只需要一條互聯(lián)網(wǎng)接入通道，很大程度地節(jié)約了終端采集器成本。

其中，作為優(yōu)選的信號傳輸方式，LoRa射頻模塊通過137-1020MHz的無線信號與LoRa網(wǎng)關無線連接。

微控制器上配置有欠壓檢測模塊，欠壓檢測模塊用以檢測電源模塊是否欠壓，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

本系統(tǒng)還包括PCB板和設置在PCB板上的外圍控制電路模塊，PCB板的兩側均開有螺紋孔，PCB板的多個螺紋孔內均穿裝自攻螺釘固定，微控制器置于PCB板的中部，外圍控制電路模塊與微控制器平行布置，射頻天線置于PCB板的一側，PCB板上還開有多個計數(shù)線孔和多個電機線孔，水表計數(shù)器通過多個計數(shù)線孔連接與微控制器連接，微型電機通過多個電機線孔與電源模塊連接。

電源模塊為高能鋰電池，電源模塊可供LoRa水表監(jiān)測控制系統(tǒng)使用5-10年。

微控制器上還集成有外部存儲器，可對采集數(shù)據(jù)進行記錄，也可以對運行參數(shù)做日志記錄。

本實用新型主要解決了低成本、遠距離和低功耗通信在智慧水務中的遠傳水表應用，具體優(yōu)勢體現(xiàn)在：

一、低成本：本系統(tǒng)利用LoRa擴頻通信技術，實現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)到云端的采集，LoRa水表模塊通過LoRa網(wǎng)關接入互聯(lián)網(wǎng)，每個LoRa網(wǎng)關可以接入多達5000個LoRa水表模塊，即可接入5000個水表，只需要一條互聯(lián)網(wǎng)接入通道，很大程度地節(jié)約了終端采集器的成本。

二、遠距離通信：LoRa網(wǎng)關和LoRa水表模塊終端采用擴頻無線通信技術最遠可達20公里的通信距，LoRa水表模塊和LoRa網(wǎng)關之間采用星型拓撲結構，同時LoRa水表模塊可以在不同的LoRa網(wǎng)關之間無縫漫游通信，采用此通信模式延時小，更好地提高系統(tǒng)通信實時性要求。

三、低功耗：LoRa水表模塊采用低功耗設計，采用單節(jié)高能電池供電，一節(jié)3200MA電池可以使用5-10年，與傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)供電采集終端相比，成本更低。

附圖說明

圖1為本實用新型的控制簡圖。

圖2為本實用新型的控制原理圖。

圖3為本實用新型的結構示意圖。

圖中，1為微控制器，2為水表計數(shù)器，3為LoRa射頻模塊，4為閥門控制器，5為系統(tǒng)日志采集器，6為故障檢測模塊，7為計劃任務模塊，8為計數(shù)模塊，9為電源模塊，10為射頻天線，11為LoRa網(wǎng)關，12為欠壓檢測模塊，13為PCB板，14為螺紋孔，15為外圍控制電路模塊，16為計數(shù)線孔，17為電機線孔，18為外部存儲器，19為SPI總線。

具體實施方式

為了使本實用新型所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1、圖2所示，LoRa水表監(jiān)測控制系統(tǒng)，包括微控制器1、水表計數(shù)器2和LoRa射頻模塊3，微控制器1與水表計數(shù)器2連接，水表計數(shù)器2將采集到的信號傳輸給微控制器1進行處理，微控制器1與LoRa射頻模塊3通過SPI總線19連接，微控制器1的信號通過LoRa射頻模塊3將信號傳輸出去，LoRa網(wǎng)關11射頻通信模塊接收LoRa射頻模塊3發(fā)來的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內部做差錯校驗和完整性檢測以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉發(fā)給云服務器，LoRa網(wǎng)關11同時擔任將服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉發(fā)給LoRa水表模塊。該LoRa水表模塊適用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控及管理，通過LoRa擴頻無線信號傳給LoRa網(wǎng)關11，實現(xiàn)水表的技術采集和前端傳輸，LoRa水表模塊內還集成了硬件RS485/232接口，系統(tǒng)內嵌Modbus/RTU協(xié)議。

水表計數(shù)器2包括閥門控制器4、多個系統(tǒng)日志采集器5、故障檢測模塊6、計劃任務模塊7和計數(shù)模塊8，閥門控制器4的信號輸出端口與微控制器1的信號輸入端口連接，閥門控制器4用以控制對電動閥門的控制，多個系統(tǒng)日志采集器5、故障檢測模塊6和計劃任務模塊7并列連接在微控制器1上，多個系統(tǒng)日志采集器5可實現(xiàn)實時的日志信息分布式采集，裝置的擴展性強，具有良好的維護性，保證日志采集的準確性，故障檢測模塊6用以自動檢測本系統(tǒng)的故障位置，計劃任務模塊7內設定有計劃任務列表和計劃任務監(jiān)視模塊，用于定時判斷計劃任務列表中是否有計劃任務需要執(zhí)行，若有計劃任務執(zhí)行，則觸發(fā)任務須調用的應用。計數(shù)模塊8與微控制器1連接，實現(xiàn)水表的技術采集和前端傳輸。

微控制器1上還連接有電源模塊9，電源模塊9設計了4-20mA電流環(huán)采集模塊，用于采集各種傳感器電流信號，該系統(tǒng)上設計的接口具有通用性，升級更換水表或應用方式改變時無需更換LoRa水表模塊。

LoRa射頻模塊3內設有射頻天線10，LoRa射頻模塊3與LoRa網(wǎng)關11無線連接，該系統(tǒng)利用LoRa擴頻通信技術，實現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)到云端的采集。

其中，作為優(yōu)選的信號傳輸方式，LoRa射頻模塊3通過137-1020MHz的無線信號與LoRa網(wǎng)關11無線連接，LoRa射頻模塊3根據(jù)實際需要選擇合適的頻率。

微控制器1上配置有欠壓檢測模塊12，欠壓檢測模塊12用以檢測電源模塊9是否欠壓，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

如圖3所示，本系統(tǒng)還包括PCB板13和設置在PCB板13上的外圍控制電路模塊15，PCB板13的兩側均開有螺紋孔14，PCB板13的多個螺紋孔14內均穿裝自攻螺釘固定，微控制器1置于PCB板13的中部，外圍控制電路模塊15與微控制器1平行布置，射頻天線10置于PCB板13的一側，PCB板13上還開有多個計數(shù)線孔16和多個電機線孔17，水表計數(shù)器2通過多個計數(shù)線孔16與微控制器1連接，微型電機通過多個電機線孔17與電源模塊9連接。

微控制器1上還集成有外部存儲器18，可對采集數(shù)據(jù)進行記錄，也可以對運行參數(shù)做日志記錄。

LoRa水表模塊采用Lora擴頻通信技術，該技術具有低功耗，遠距離傳輸特點。采用LoRa WAN 協(xié)議更好地實現(xiàn)了多節(jié)點通信，更好地保證了數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性。無線接收器通過擴頻技術使得此類接收機在125kHz的帶寬下使用獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比，這種新的擴頻方式在靈敏度上改善了30dB，這樣使得同樣的通信距離發(fā)射功率就會降低，從而實現(xiàn)低功耗長距離的通信。

工作流程: LoRa網(wǎng)關11射頻通信模塊接收LoRa水表模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內部做差錯校驗和完整性檢測以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉發(fā)給云服務器。LoRa網(wǎng)關11同時擔任服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉發(fā)給LoRa水表模塊。

LoRa水表模塊采用32位低功耗MCU主控器,內嵌LoRaWAN無線通信協(xié)議，有信號碰撞檢測機制，自適應速率，面對復雜的環(huán)境有超強抗干擾機制，自帶了ACK信號確認，有效保障了通信可靠性要求。發(fā)射功率根據(jù)通信距離的RISS值自動調整，有效地實現(xiàn)了低功耗通信的要求。本系統(tǒng)內置超強休眠機制，睡眠電流可低至10uA級，1節(jié)電池3200mAh高能鋰電池可供節(jié)點使用5-10年。

LoRa水表模塊內嵌數(shù)字濾波器，通過對采集的原始數(shù)據(jù)分析過濾，來保證數(shù)據(jù)的準確性。

LoRa水表模塊通過LoRa網(wǎng)關11接入互聯(lián)網(wǎng)，每個LoRa網(wǎng)關11可以接入多達5000個LoRa水表模塊，只需要一條互聯(lián)網(wǎng)接入通道，很大程度地節(jié)約了終端采集器的成本。以一個采集器終端通信服務費每年120元計算，5000個節(jié)點每年產(chǎn)生的流量月租費用達5000*120=60萬元，而采用此系統(tǒng)運營費用僅需一條普通4m ADSL線路或光纖接入的費用，此費用大約為每年600-2000元。

LoRa網(wǎng)關11和LoRa水表模塊終端采用擴頻無線通信技術最遠可達3-10公里的通信距，LoRa水表模塊和LoRa網(wǎng)關11之間采用星型拓撲結構，同時LoRa水表模塊可以在不同的LoRa網(wǎng)關11之間無縫漫游通信，采用此通信模式延時小，更好的滿足了系統(tǒng)實時通信要求。

LoRa水表模塊終端采用低功耗設計，采用單節(jié)高能電池供電。一節(jié)3200MA電池可以使用5-10年，和傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)供電采集終端相比更加低成本，比現(xiàn)有的無線通信技術功耗降低了數(shù)倍。

本系統(tǒng)適合在城市大規(guī)模高密度的水表使用，也適應野外無人值守的遙測控制。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包在本實用新型范圍內。