基于超长距低功耗数据传输技术与无线通信技术的智能水表系统

,

(华中师范大学 物理科学与技术学院，武汉 430079)

0 引言

物联网在中国已经发展了多年，在智能工业、智能家居、智慧城市等方面都有着越来越广泛的应用前景。但诸如WiFi、蓝牙、ZigBee网络等一些主流的物联网技术不能很好解决距离和低功耗之间的矛盾[1]。

为较好的解决这样的矛盾。2013年8月，Semtech公司发布了一种新型的基于1 GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(Long Range,简称LoRa)的芯片，LoRa的优势主要体现在远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点，适合于在长距离发送小数据量且使用电池供电方式的物联网设备[2-3]。越来越多的企业与城市采用LoRa作为构建物理网的基本单元。

随着城市化的高速发展，水表作为反馈居民用水信息的直接设备成为了几乎所有小区、写字楼(商区)必须安装的基础设备之一。如何对庞大且分散的用水信息进行准确、实时、有效的抄表成为水务公司及相关部门急需解决的问题。传统的人工抄表需要挨家挨户的抄读水表，抄表人员繁琐的将数据录入水务系统后才能生成账单[4]。其弊端也变得越来越明显，主要表现为：针对抄表员劳动强度过大、用户居住条件限制(偏远地区不利于抄表)、错超、漏超情况严重，耗费巨大人力与物力、用水信息不能及时反馈、用户缴费不方便等问题，在智能信息化逐渐普及化的今天，传统的人工抄表已经不能适应社会的发展，智能水表将成为未来的趋势。

在对一个片区甚至一座城市的用户进行数据的互联与转发的设计过程中存在以下问题：其一，与智能电表的设计方案不同，水表表盘空间只能安置电池，功耗问题是智能水表领域需要优先解决的问题。其二，小区的障碍物众多以及各式电子设备以及雷雨天气引起的电磁干扰严重，急需一种通信能力强劲的无线组网方式。为了解决传统水表方案设计上的不足，本文设计出一套基于LoRa无线通信技术的智能抄表系统。

1 系统概述

基于LoRa的水表抄表系统主要由终端(内置LoRa模块)、中继、网关(或称基站)、服务器四部分组成。本设计方案中节点、中继与网关的组网方式采用LoRa组网方式，而网关与服务器数据的交互采用GPRS组网方式[5]。两种组网方式的结合构成了如下图1所示的智能水表的系统总体框图。

图1 系统总体框图

系统运行如下：后台服务端要求节点设备对其性能参数进行设置时，系统将通过GPRS网络将指令和参数传达给基站/网关，再由基站根据数据帧中携带的设备地址信息匹配相对应的节点设备：节点模块的数据主要依靠两种方式送达服务器，方式一各节点的瞬时数据被保存在基站的存储区域内，等待服务器统一采集数据，方式二由服务器根据设备的ID地址指定节点模块将数据单独上传。

2 系统网络拓扑设计

与传统的网状网络相比，LoRaWAN一般设计成典型的星型网络拓扑结构[6]，这样可以消除同步开销和跳数，且系统简单和功耗低，因此在小区水务抄表中多采用星型、链路网络。

在信道设计上，同一级的设备统一设置SX1278模块为相同的通信频道。在LoRa组网中不同级的设备互联将LoRa频率设置不同，以此来降低信号间的互相干扰。同时该无线通信模块具备在线监听空中信道与无线防碰撞的机制。在对一座城市布局LoRa组网的情况下，可以有效的降低节点、中继、基站设备之间的通信误码率，增强系统整体网络的稳定性。

3 系统平台设计

3.1 系统硬件方案设计

系统MCU统一采用意法半导体的STM32F10x系列芯片，该芯片采用标准Cortex-M3内核，最高72 MHz工作频率[6]，其32位的处理性能、丰富的外部接口、强大的数据处理能满足智能水表节点模块、中继模块以及基站模块的平台搭建。同时STM32F10x系列芯片也是一款高性能、低电压、低价格的产品，比较适合用于中小设备的应用，特别适合微型设备、仪表和其它电子产品的应用。MCU同时支持睡眠、停止以及待机3种低功耗工作模式[7]，方便了系统整体的低功耗设计。

3.1.1 节点设备设计思路

节点设备的硬件结构见图2。前端摄像头采集模块主要用于图像识别表盘上的数字，以采集水表的实时数据。MCU通过SPI接口配置LoRa的工作方式以及基本参数。该节点设备可以响应服务器下发的指令，将节点的数据信息上传中继设备以及基站设备，完成记录用水量，监控水表工作状态等功能。

初步方案设计，每月只进行一次抄表和若干次心跳连接，这样的方案设计可以降低能耗，电源模块采用两节3600 mAh电池供电，主控芯片与LoRa射频模块的低功耗模式下理论上可让节点设备工作3～5年。

图2 节点设备结构示意图

3.1.2 中继设备设计思路

中继设备一般布置在小区的屋顶(写字楼商区顶部)或野外空旷地区，中继设备的硬件结构见图3。一台中继设备可互联多台节点设备。前端射频模块与该台中继设备互联的节点设备工作在同一通信频段，保证数据可以转发到中继设备，延长LoRa组网的通信距离。与之相对的，后端射频模块与基站(网关)工作在不同频段上。这样的设计是保证中继与多个终端通信为时分信道，中继间则为不同频率的信道。前后端射频模块的设计以降低中继设备转发数据过程中可能存在的通信碰撞问题。

图3 中继设备结构示意图

3.1.3 基站设备设计思路

基站设备主要负责网络通信指令的下达、数据的上传与下载、系统状态的检测以及管理功能。GPRS模块相当于基站设备的网关，将硬件数据通过TCP/IP报文的方式传输给后台服务器。基站设备的硬件结构如图4所示。基站一般部署在一个城市的中心，用户流量较为集中的地区。当网络搭建完成后，中继设备可以自动搜索所在区域信号较好的基站设备。由于基站在小范围的网络互联中扮演重要的角色，几乎系统绝大部分的功能都依赖基站来实现，现给基站设备扩展了RS232接口，为后期系统的维护、应急管理提供方便。

图4 基站/网关设备结构示意图

3.2 系统件设计方案

在系统上电后调用BSP_Init()函数，对电路设备的硬件进行初始化。为了有效的降低系统静默模式下的功耗，前端/中继/基站的MCU都采取了休眠到唤醒，最后到休眠的循环工作方式。按照通信双方的约定需要可以实现3种通信模式。包括透明广播模式、定点传输模式以及空中唤醒模式。其中空中唤醒模式，使发送方自动添加唤醒码，定点唤醒目标模块。唤醒Sx1278设备后进行射频通信，完成通信后继续进入休眠状态。

3.2.1 应用层通信协议设计

协议设计的优劣直接决定了设计方案整体的智能化水平。对应用层进行了自定义协议设计，其无线抄表方式分为定时抄表，以及单播、广播抄表。在节点设备与中继设备，中继设备与基站设备之间建立一对多的映射关系。方便远程服务器对硬件设备进行网络管理。本抄表系统报文格式为下表1所示，报文长度为1 byte定长字节。当服务器需要自上而下获取节点设备的基本信息，将这些交互指令以功能码的形式添加到通信的报文格式中。

表1 通信报文格式

如表2所示，节点设备与中继设备，中继设备与基站设备之间遵循主从的通信方式。本文设计了一系列指令功能码，随着系统的不断完善和功能的逐渐丰富可以不断的增加功能码的内容。主设备可以通过发送0xffff获取硬件设备的地址信息、发送0x0101获取从设备的出厂信息(出厂日期，经度纬度)、发送0x0102获取当前设备的时间戳，获取硬件设备的时间信息、发送0x0103获取水表设备的电压瞬时值，当工作电压低于阈值时，通知维护人员及时维修设备、发送0x0201要求从设备重发上一条通信指令。

表2 水表数据帧部分命令及含义

3.2.2 应用层软件设计

1)节点设备软件设计。

现采集节点的设计流程图如图5所示。节点设备定时被唤醒，向服务器上传水表的数据。也需要通过LoRa网络以轮询的方式监听串口，在收到数据帧且校验通过后，解析数据帧中的功能码，执行对应的功能指令，向服务器反馈节点设备的数据。在成功向服务器传输数据后，定时重新进入休眠模式，以此实现低功耗。

图5 采集设备流程图

2)基站设备软件设计。

基站设备的主程序流程图如图6所示，外围设备事件都是通过中断来驱动的。

当执行一个指定目标节点设备的抄表指令时。中断向量函数监听到LoRa数据，根据通信协议中的数据帧格式向目标节点设备反馈通信事件。基站设备与节点设备之间建立了超时重连机制，基站设备在响应完事件后重新进入事件监听阶段。

依靠该基站设备的软件设计，可有效的管理各个任务依据中断优先级处理不同的任务，做到及时响应事件，让基站设备在系统中发挥核心作用。

图6 基站设备流程图

4 实验结果与分析

4.1 实时抄表实验

为了验证智能水表的通讯性能，在武汉市华中师范大学校园内教学区进行实地抄表实验，实验在如图7所示的教学楼进行，教学楼结构为地上14层，地下2层。实验条件如下：将节点水表设备(图8)安置在任意楼层，基站/网关设备(图9)固定安置在14层天台处。数据库部署在阿里云服务器。

图7 教学楼 图8 水表节点设备

实验时，实验人员手动发送SendData,数据成功录入至数据库中即为1次通讯成功。实际测试结果地上1层到地上14层通信成功，地下1层与地下2层不能通信。总结可能的原因为地下两层为学校的电磁实验室且楼层结构与上14层存在较大不同。

4.2 有效距离测试

有效距离测试条件如图10所示，中继/网关与节点设备的安置在图10中进行标注，两地直线距离为3.35 km。该段区域主要为校园内的林荫大道，无明显的障碍物，测试天气晴朗。

图9 基站/网关 图10 有效距离测试示意图

用LoRa设备进行的透明传输实验，改变LoRa通信模块的空口传输速率，实测最远通信距离为4.45 km，实验结果如表3所示，随着LoRa模块的空中速率逐渐增大，两模块间的通信距离逐渐降低。厂家提供的LoRa模块发射功率为0.1瓦时，理论通信距离最大可达3 km，实际在华中师范大学校园内测试的最远通信距离达到1.63 km，几乎是在视距无遮挡条件下，此时LoRa模块的空中速率为2.4 kbps。在1.63 km的距离能够保证良好通信，对LoRa的空速进行调节，当速率增大到19.2 kbps时，最大通信距离下降到1.31 km。

表3 空旷区域LoRa通信结果

4.3 系统功耗测试

从功耗方面看，LoRa模块的SX1278休眠电流为1 μA,主芯片STM32f103VCT6深度休眠电流为25 μA,实测为30 μA,加上晶振等一些外围电路，电流预估的休眠电流为30 μA,实测电流为35 μA。电路在正常工作状态下的电流为60 mA满足了设计预算[8]。从整个水表的功耗计算来看，采用两节3600 mAh的电池，在规定的3～5年的时间内可以满足实际需求，不过这还只是一个预算值，待后期大量的实验来验证。

4.4 长期抄表测试

为了验证采集系统的有效性。由部署在阿里云服务器负责将节点采集的数据录入数据库中。实验条件如下：设置服务端ip地址“106.14.115.183”，端口为“8080”。对节点设备编号为17的水表进行30分钟一次的数据采集工作，其显示的采集结果可以在图11所示的数据库表格中直观的看到，从下午18:00到凌晨5:30的夜间时段对水表进行了24次心跳测试。在保证数据上传不丢帧的情况下系统延时可控制在1分钟可接受范围之内，系统整体运行状态良好。在长期测试环境下,可以保证良好的通信，抄表率为98%～100%之间。

图11 后台数据采集

5 结语

本文介绍了LoRa相关的技术特点，分析了智能水表的应用场景需求，提出一套基于LoRa无线通信技术的智能水表系统设计方案，从设计方案的软硬件部分分别展开论述，对方案的通信协议与可实施性做出了详细的论述。最后就反映系统通信能力的通信距离与低功耗性能两个重要指标做了测试分析，并在长期抄表测试部分验证了系统的合理性与稳定性。实验主要在学校的教学楼与无障碍物的林荫道进行，具有一定程度的适用性。

总结分析最后的实验结果验证了LoRa网络为智能系统整体提供了低功耗、远距离传输的特性，实现面向用户的远程管理最终实现水表的智能互联[9]。LoRa组网不仅是对现有的无线网络很好的补充，其本身也是一种高效便捷的硬件组网方案。

本文所介绍的智能水表系统仍然存在许多可以完善的地方，在不远的将来作为智能三表[10]中的智能水表最终会改变人们的生活方式。

参考文献：

[1] 龚天平. LORA技术实现远距离低功耗无线数据传输[J].电子世界,2016,10:115-117.

[2] 赵 静, 苏光添. LoRa无线网络技术分析[J]. 移动通信,2016,40(21):50-57.

[3] 黄增波, 叶锦娇, 赵华玮. 基于LoRa技术的低功耗无线锚杆应力传感器设计[J]. 煤矿现代化,2017(1):39-42.

[4] 张恩满,赵春焕,钟晨,丁渊明,聂西利. 基于LoRaWAN的远程抄表系统[J]. 建设科技,2017(6):41-43.

[5] 赵太飞,陈伦斌,袁麓,胡小乔. 基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制,2016,24(9):298-301.

[6] 王昌达, 鞠时光. 无线组网技术中的安全问题[J]. 计算机科学,2006(7):121-126.

[7] 刘火良, 杨 森. STM32库开发实战指南[D]. 北京：机械工业出版社,2013.

[8] 罗贵英. 基于LoRa的水表抄表系统设计与实现[D].杭州：浙江工业大学,2016.

[9] 赵 静. 低速率物联网蜂窝通信技术现状及发展趋势[J]. 移动通信,2016,40(7):27-30.

[10] 罗明凤,周 燕. 智能小区水电气三表集抄系统研究[J]. 信息技术与信息化,2014(6):125-126.