方案概述

抄水表的方案有很多種技術(shù)可以實現(xiàn)，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(shù)中，無線抄表技術(shù)是比較容易被接受的，因為不需要現(xiàn)場布線，安裝方便維護更新簡單。但一些無線技術(shù)也存在著一些應(yīng)用上的問題，如FSK距離短、穿透力差、無線信號不穩(wěn)定，GPRS又太耗電。LoRa技術(shù)的出現(xiàn)為抄表應(yīng)用解決了傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)信號和耗電等問題。本文推薦一個基于LoRaWAN的智慧水務(wù)解決方案。

下圖是基于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的水表系統(tǒng)框圖：

本方案采用了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，并將傳統(tǒng)的水表終端改造成了LoRa水表終端，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器部分還針對抄水表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點進行了相應(yīng)地優(yōu)化。

LoRa智慧水務(wù)解決方案架構(gòu)

下圖是本方案的架構(gòu)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(shè)計，方便后期的維護和軟件更新。LoRa天線針對水表的安裝環(huán)境進行了設(shè)計和優(yōu)化，收發(fā)性能良好。

網(wǎng)絡(luò)層 - 采用了基于LoRaWAN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并針對水表數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行了優(yōu)化處理。低功耗廣域（LPWA）技術(shù)為大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用提供了很好的技術(shù)支撐。針對LoRa網(wǎng)絡(luò)信號的盲區(qū)，還設(shè)計了一款低成本的LoRa中繼設(shè)備，解決了LoRa網(wǎng)絡(luò)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(xié)議和服務(wù)管理等。LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(yīng)用層 - 智能水務(wù)應(yīng)用平臺負責(zé)運維管理、數(shù)據(jù)可視化等

LoRa 水表產(chǎn)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(shè)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(jié)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(qū)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(shè)計，確保產(chǎn)品6~10年的有效使用周期

• 高精度脈沖數(shù)目計數(shù)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(fā)喚醒功能

•  無縫對接水表設(shè)備云及自來水廠管理平臺，保證數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

主要功能介紹：

• 內(nèi)置STM32L051C8處理器

• 支持LoRaWAN™ 1.0協(xié)議棧

• 支持LoRaWAN™ Class A、Class C

• 使用TCXO

• zui大鏈路預(yù)算可達168dB

• 127dB的RSSI動態(tài)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(diào)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(shù)（AES128/SM4）保證了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全。

LoRa 網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)符合LoRaWAN協(xié)議規(guī)范，支持多信道并發(fā)，POE供電，帶有GPS功能，回程采用3G/4G/WiFi等多種鏈路。LoRa網(wǎng)關(guān)經(jīng)過抗干擾優(yōu)化設(shè)計，可滿足各種不同的環(huán)境應(yīng)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(wǎng)絡(luò)容量

• 可同時解調(diào)2MHz的帶寬

• 簡單的星形網(wǎng)絡(luò)一沒有延遲

• 自適應(yīng)鏈路速率

• 同時通訊節(jié)點10萬指標(biāo)

• 發(fā)射功率27dBm

• 鏈路靈敏度-157dBm

   

LoRa 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(wǎng)管及配置

• EN配置及OTA

• 與應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)交互

• 基于源數(shù)據(jù)選擇的下游路徑

• RTCM高精度定位差分數(shù)據(jù)廣播( 選購)

• 調(diào)度下行流量

• GWM接入數(shù)量：2000臺

• EN接入數(shù)量：>100萬

   

云平臺及應(yīng)用平臺

智能水表應(yīng)用平臺主要功能介紹：

• 抄表管理（設(shè)置，小區(qū)、水廠管理等）

• 產(chǎn)品生命周期管理（測試、安裝、追溯）

• 運營管理（監(jiān)控、升級、記錄等）

• 數(shù)據(jù)可視化（統(tǒng)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(fā)請求

• 采用Docker容器集群部署節(jié)約資源和時間

• 支持OAuth2.0協(xié)議認證*

• 支持多協(xié)議通信（HTTP, MQTT, TCP/UDP等)

• 實時請求服務(wù)治理和服務(wù)監(jiān)控

   

智能抄表管理平臺、收費平臺&智慧生活A(yù)pp

下圖是抄表系統(tǒng)后臺管理界面截圖和App界面截圖，提供了可視化的數(shù)據(jù)管理后臺。

產(chǎn)品測試及測試設(shè)備

產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)離不開測試儀器儀表，專業(yè)完善的儀器儀表保證了方案設(shè)計的品質(zhì)。

結(jié)語

本方案基于標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN協(xié)議而設(shè)計，針對抄水表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而優(yōu)化。在實際進行LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)部署的時，難免會存在信號的盲區(qū)，為此專門設(shè)計了低成本LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的補盲中繼器，實現(xiàn)了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)信號的*覆蓋。為方便水表的維護和升級還設(shè)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(xiàn)場的維護和軟件更新。