本實(shí)用新型屬于智慧水務(wù)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用LoRa技術(shù)的水表監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，水資源管理重視度越來越高，從水源地、河流、湖泊、水庫(kù)、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(duì)水資源精細(xì)化管理與控制要求越來越高，水表作為收取水費(fèi)的計(jì)量工具，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，每年有近千萬(wàn)臺(tái)的市場(chǎng)，但當(dāng)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(dāng)前市場(chǎng)上有機(jī)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(yuǎn)傳水表，機(jī)械式與IC卡水表無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)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(shè)一臺(tái)集中器負(fù)載256（已是最大負(fù)荷）塊表，一個(gè)幾千人的小區(qū)需要幾十臺(tái)集中器，造成了安裝成本高、運(yùn)行通信費(fèi)用貴、管理復(fù)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(guān)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(yàn)中。

二、通信距離近：有線集抄由于總線特性，無法長(zhǎng)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(hào)最多能穿透6層樓板，空曠距離最遠(yuǎn)只能達(dá)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(shù)實(shí)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(shè)備復(fù)雜的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種應(yīng)用在智慧水務(wù)系統(tǒng)中的低功耗通信水表。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為： LoRa水表監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，包括微控制器、水表計(jì)數(shù)器和LoRa射頻模塊，微控制器與水表計(jì)數(shù)器連接，水表計(jì)數(shù)器將采集到的信號(hào)傳輸給微控制器進(jìn)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(hào)通過LoRa射頻模塊將信號(hào)傳輸出去，LoRa網(wǎng)關(guān)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(nèi)部做差錯(cuò)校驗(yàn)和完整性檢測(cè)以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器，LoRa網(wǎng)關(guān)同時(shí)擔(dān)任將服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給LoRa水表模塊。

水表計(jì)數(shù)器包括閥門控制器、多個(gè)系統(tǒng)日志采集器、故障檢測(cè)模塊、計(jì)劃任務(wù)模塊和計(jì)數(shù)模塊，閥門控制器的信號(hào)輸出端口與微控制器的信號(hào)輸入端口連接，閥門控制器用以控制對(duì)電動(dòng)閥門的控制，多個(gè)系統(tǒng)日志采集器、故障檢測(cè)模塊和計(jì)劃任務(wù)模塊并列連接在微控制器上，多個(gè)系統(tǒng)日志采集器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的日志信息分布式采集，裝置的擴(kuò)展性強(qiáng)，具有良好的維護(hù)性，保證日志采集的準(zhǔn)確性，故障檢測(cè)模塊用以自動(dòng)檢測(cè)本系統(tǒng)的故障位置，計(jì)劃任務(wù)模塊內(nèi)設(shè)定有計(jì)劃任務(wù)列表和計(jì)劃任務(wù)監(jiān)視模塊，用于定時(shí)判斷計(jì)劃任務(wù)列表中是否有計(jì)劃任務(wù)需要執(zhí)行，若有計(jì)劃任務(wù)執(zhí)行，則觸發(fā)任務(wù)須條用的應(yīng)用。計(jì)數(shù)模塊與微控制器連接，實(shí)現(xiàn)水表的技術(shù)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(shè)計(jì)了4-20mA電流環(huán)采集模塊，用于采集各種傳感器電流信號(hào)，該系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的接口具有通用性，升級(jí)更換水表或應(yīng)用方式改變時(shí)，無需更換LoRa水表模塊。

LoRa射頻模塊內(nèi)設(shè)有射頻天線，LoRa射頻模塊與LoRa網(wǎng)關(guān)無線連接，該系統(tǒng)利用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)，實(shí)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(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以接入多達(dá)5000個(gè)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(hào)傳輸方式，LoRa射頻模塊通過137-1020MHz的無線信號(hào)與LoRa網(wǎng)關(guān)無線連接。

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

本系統(tǒng)還包括PCB板和設(shè)置在PCB板上的外圍控制電路模塊，PCB板的兩側(cè)均開有螺紋孔，PCB板的多個(gè)螺紋孔內(nèi)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(cè)，PCB板上還開有多個(gè)計(jì)數(shù)線孔和多個(gè)電機(jī)線孔，水表計(jì)數(shù)器通過多個(gè)計(jì)數(shù)線孔連接與微控制器連接，微型電機(jī)通過多個(gè)電機(jī)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(cè)控制系統(tǒng)使用5-10年。

微控制器上還集成有外部存儲(chǔ)器，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，也可以對(duì)運(yùn)行參數(shù)做日志記錄。

本實(shí)用新型主要解決了低成本、遠(yuǎn)距離和低功耗通信在智慧水務(wù)中的遠(yuǎn)傳水表應(yīng)用，具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

一、低成本：本系統(tǒng)利用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)，實(shí)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(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以接入多達(dá)5000個(gè)LoRa水表模塊，即可接入5000個(gè)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(yuǎn)距離通信：LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa水表模塊終端采用擴(kuò)頻無線通信技術(shù)最遠(yuǎn)可達(dá)20公里的通信距，LoRa水表模塊和LoRa網(wǎng)關(guān)之間采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)LoRa水表模塊可以在不同的LoRa網(wǎng)關(guān)之間無縫漫游通信，采用此通信模式延時(shí)小，更好地提高系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性要求。

三、低功耗：LoRa水表模塊采用低功耗設(shè)計(jì)，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(yáng)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(shí)用新型的控制簡(jiǎn)圖。

圖2為本實(shí)用新型的控制原理圖。

圖3為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為微控制器，2為水表計(jì)數(shù)器，3為L(zhǎng)oRa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(cè)模塊，7為計(jì)劃任務(wù)模塊，8為計(jì)數(shù)模塊，9為電源模塊，10為射頻天線，11為L(zhǎng)oRa網(wǎng)關(guān)，12為欠壓檢測(cè)模塊，13為PCB板，14為螺紋孔，15為外圍控制電路模塊，16為計(jì)數(shù)線孔，17為電機(jī)線孔，18為外部存儲(chǔ)器，19為SPI總線。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

如圖1、圖2所示，LoRa水表監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，包括微控制器1、水表計(jì)數(shù)器2和LoRa射頻模塊3，微控制器1與水表計(jì)數(shù)器2連接，水表計(jì)數(shù)器2將采集到的信號(hào)傳輸給微控制器1進(jìn)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(hào)通過LoRa射頻模塊3將信號(hào)傳輸出去，LoRa網(wǎng)關(guān)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(nèi)部做差錯(cuò)校驗(yàn)和完整性檢測(cè)以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器，LoRa網(wǎng)關(guān)11同時(shí)擔(dān)任將服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控及管理，通過LoRa擴(kuò)頻無線信號(hào)傳給LoRa網(wǎng)關(guān)11，實(shí)現(xiàn)水表的技術(shù)采集和前端傳輸，LoRa水表模塊內(nèi)還集成了硬件RS485/232接口，系統(tǒng)內(nèi)嵌Modbus/RTU協(xié)議。

水表計(jì)數(shù)器2包括閥門控制器4、多個(gè)系統(tǒng)日志采集器5、故障檢測(cè)模塊6、計(jì)劃任務(wù)模塊7和計(jì)數(shù)模塊8，閥門控制器4的信號(hào)輸出端口與微控制器1的信號(hào)輸入端口連接，閥門控制器4用以控制對(duì)電動(dòng)閥門的控制，多個(gè)系統(tǒng)日志采集器5、故障檢測(cè)模塊6和計(jì)劃任務(wù)模塊7并列連接在微控制器1上，多個(gè)系統(tǒng)日志采集器5可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的日志信息分布式采集，裝置的擴(kuò)展性強(qiáng)，具有良好的維護(hù)性，保證日志采集的準(zhǔn)確性，故障檢測(cè)模塊6用以自動(dòng)檢測(cè)本系統(tǒng)的故障位置，計(jì)劃任務(wù)模塊7內(nèi)設(shè)定有計(jì)劃任務(wù)列表和計(jì)劃任務(wù)監(jiān)視模塊，用于定時(shí)判斷計(jì)劃任務(wù)列表中是否有計(jì)劃任務(wù)需要執(zhí)行，若有計(jì)劃任務(wù)執(zhí)行，則觸發(fā)任務(wù)須調(diào)用的應(yīng)用。計(jì)數(shù)模塊8與微控制器1連接，實(shí)現(xiàn)水表的技術(shù)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(shè)計(jì)了4-20mA電流環(huán)采集模塊，用于采集各種傳感器電流信號(hào)，該系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的接口具有通用性，升級(jí)更換水表或應(yīng)用方式改變時(shí)無需更換LoRa水表模塊。

LoRa射頻模塊3內(nèi)設(shè)有射頻天線10，LoRa射頻模塊3與LoRa網(wǎng)關(guān)11無線連接，該系統(tǒng)利用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)，實(shí)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(hào)傳輸方式，LoRa射頻模塊3通過137-1020MHz的無線信號(hào)與LoRa網(wǎng)關(guān)11無線連接，LoRa射頻模塊3根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的頻率。

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

如圖3所示，本系統(tǒng)還包括PCB板13和設(shè)置在PCB板13上的外圍控制電路模塊15，PCB板13的兩側(cè)均開有螺紋孔14，PCB板13的多個(gè)螺紋孔14內(nèi)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(cè)，PCB板13上還開有多個(gè)計(jì)數(shù)線孔16和多個(gè)電機(jī)線孔17，水表計(jì)數(shù)器2通過多個(gè)計(jì)數(shù)線孔16與微控制器1連接，微型電機(jī)通過多個(gè)電機(jī)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(chǔ)器18，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，也可以對(duì)運(yùn)行參數(shù)做日志記錄。

LoRa水表模塊采用Lora擴(kuò)頻通信技術(shù)，該技術(shù)具有低功耗，遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)。采用LoRa WAN 協(xié)議更好地實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)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(kuò)頻技術(shù)使得此類接收機(jī)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(kuò)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(huì)降低，從而實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)距離的通信。

工作流程: LoRa網(wǎng)關(guān)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(nèi)部做差錯(cuò)校驗(yàn)和完整性檢測(cè)以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器。LoRa網(wǎng)關(guān)11同時(shí)擔(dān)任服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(nèi)嵌LoRaWAN無線通信協(xié)議，有信號(hào)碰撞檢測(cè)機(jī)制，自適應(yīng)速率，面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境有超強(qiáng)抗干擾機(jī)制，自帶了ACK信號(hào)確認(rèn)，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(dòng)調(diào)整，有效地實(shí)現(xiàn)了低功耗通信的要求。本系統(tǒng)內(nèi)置超強(qiáng)休眠機(jī)制，睡眠電流可低至10uA級(jí)，1節(jié)電池3200mAh高能鋰電池可供節(jié)點(diǎn)使用5-10年。

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

LoRa水表模塊通過LoRa網(wǎng)關(guān)11接入互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)11可以接入多達(dá)5000個(gè)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(gè)采集器終端通信服務(wù)費(fèi)每年120元計(jì)算，5000個(gè)節(jié)點(diǎn)每年產(chǎn)生的流量月租費(fèi)用達(dá)5000*120=60萬(wàn)元，而采用此系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用僅需一條普通4m ADSL線路或光纖接入的費(fèi)用，此費(fèi)用大約為每年600-2000元。

LoRa網(wǎng)關(guān)11和LoRa水表模塊終端采用擴(kuò)頻無線通信技術(shù)最遠(yuǎn)可達(dá)3-10公里的通信距，LoRa水表模塊和LoRa網(wǎng)關(guān)11之間采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)LoRa水表模塊可以在不同的LoRa網(wǎng)關(guān)11之間無縫漫游通信，采用此通信模式延時(shí)小，更好的滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信要求。

LoRa水表模塊終端采用低功耗設(shè)計(jì)，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(yáng)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(shù)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(yīng)野外無人值守的遙測(cè)控制。

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