基于物联网LoRa智能水表的研究与设计

江武志 许娜芬 钟炜杰 李金墉

摘 要：传统的人工抄表需要工作人员挨家挨户收集水表数据，不仅工作量大，还存在错抄、漏抄和用户私自改装水表等问题，无法及时、准确、有效地抄收水表数据。随着社会的发展，有线和无线自动抄表系统慢慢走进了人们的视野。LoRa是LPWAN通信技术中发展较快、相对成熟的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案为用户提供了一种简单的能实现远距离、延长电池寿命、大容量的系统，进而扩展为传感网络。目前LoRa主要在全球免费频段运行，包括433 MHz，868 MHz，915 MHz等。文中详细介绍了一款基于LoRa的智能水表系统，通过分析LoRa的优势和特点，点明了利用LoRa技术所组成的智能水表系统的诸多优点与LoRa智能水表系统的原理及需求和硬件组成、软件程序设计等内容。

关键词：LoRa；智能水表系统；无线传输；LPWAN通信技术

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

为了适应现代化抄表管理的需求，充分采用LoRa技术，利用成熟的LoRa网络设计出一套建设成本低、数据传输准确和能够适应复杂环境的LoRa远程自动智能表，从而实时、高效地检测用户的用水信息。该新型水表不仅能够解决人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及安全隐患方面的问题，还能为水力部门提供准确、高效、安全的数据信息[1]。传统的人工抄表需要工作人员挨家挨户收集水表数据，不仅工作量大，还无法体现数据的实效性，不能及时反应用户是否欠费。而LoRa智能水表系统能够实时监控数据，可远程抄表，节省了人力物力。传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能，LoRa智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可按照约定对用水量进行控制，更加合理地利用水资源，促进节约用水[2]。

1 设计思路

图1所示为基于物联网LoRa智能水表系统的整体结构图。系统由485智能水表、电磁水阀、LoRa数据采集控制器、LoRa网关、服务器组成。

首先将485智能水表与电磁水阀安装在同一条管道上以保证电磁水阀可以控制智能水表的流通水量，然后智能水表通过RS 485串行总线与LoRa数据采集控制器相连，通过智能水表的CJ/T188—2004协议，LoRa数据采集控制器可以和智能水表通信，获取智能水表的数据。得到数据后，通过LoRa数据采集控制器上的LoRa无线模块将数据发送到LoRa网关，LoRa网关接收到数据后，通过互联网将数据上传到服务器中。服务器中的数据采集后台服务模块会解析上传的数据，然后将有用的数据储存到数据库中，最后可以通过在Web页面中的操作来实现实时水量查询和远程控制功能。

2 主控芯片（STM32单片机）及LoRa芯片简介

STM32F103增强型系列由意法半导体集团设计，使用高性能的ARMCortex-M3 32位RISC内核，其工作频率为

72 MHz，内置高速存储器（高达128 kB的闪存和20 kB的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位ADC，3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI，3个USART，1个USB和1个CAN[3]。基于上述优势，本设计采用STM32F103系列单片机。

LoRa是LPWAN（低功耗广域网）通信技术中的一种，是Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，是Semtech射频部分产生的一种独特的调制格式。LoRa射频部分的核心芯片是SX1276/77/78/79，该系列产品采用LoRa扩频调制解调技术，使器件传输距离远远超出现有的基于FSK或OOK调制方式的系统。在最大数据速率下，LoRa的灵敏度相比FSK高出8 dB；倘若使用低成本材料和20 ppm晶体的LoRa，收发器灵敏度可以比FSK高出20 dB。

此外，LoRa在选择性和阻塞性能方面也具有显著优势，可以进一步提高通信可靠度。同时，它还提供了很大的灵活性，用户可自行决定扩频调制带宽（BW）、扩频因子（SF）和纠错率（CR）。扩频调制的另一优点是每个扩频因子均呈正交分布，因而多个传输信号可以占用同一信道而不会互相干扰，并且能够与现有基于FSK的系统简单共存。此外，还支持标准的GFSK，FSK，OOK及GMSK调制模式，因而能够与现有的M-BUS和IEEE 802.15.4g等系统或标准兼容[4]。网关则采用集成度更高、信道数更多的SX1301芯片。用SX1301作为核心开发出的LoRa网关可与诸多LoRa模块构成多节点的复杂的物联网自组网。

3 LoRa智能水表系統的硬件设计

物联网LoRa智能水表系统的硬件系统由485智能水表、电磁水阀和LoRa数据采集控制器组成。

3.1 485智能水表

无源直读水表是智能水表的一种，是通过电阻定位或光电定位直接确定水表读数的远传表。由于其可直接获取结果数据，与水表的中间工作状态无关，因此具有无需常用电源，机械、电子数值统一，数据格式兼容性强等优点。本系统采用的485水表是无源光电直读水表，水表无需持续供电、度数精准、系统开放且安装简单方便。

3.2 电磁水阀

电磁阀是电磁控制工业设备中的一种，是用以控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动等。可用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他参数。电磁阀可以配合不同的电路实现预期的控制，且能够保证控制的精度和灵活性。该电磁水阀从原理上分为直动式电磁阀、分步直动式电磁阀和先导式电磁阀。本文系统选用直动式电磁阀。

3.3 LoRa数据采集控制器

系统以STM32F103系列单片机STM32F103C8T6为核心，结构如图2所示，实物如图3所示。其功能模块主要由电源电路模块、LoRa通信模块、电磁水阀控制电路、指示灯电路和485串口通信模块组成。

电源模块设计采用宽电压输入的AC-DC电路，输入电压为交流100～240 V，输出电压为直流5 V，经ASM1117-3.3稳压管稳压后为单片机和LoRa通信芯片提供稳定的3.3 V电压。LoRa数据采集控制器和智能水表之间通过RS-485串行总线进行数据通信。LoRa数据采集控制器按照CJ/T188-2004协议向智能水表发送指定数据，然后接收智能水表返回的数据，接收到数据后对数据进行解析，之后将得到的数据按照LoRa和网关通信协议打包，再通过LoRa无线通信将打包好的数据以电磁波的形式发送出去。LoRa网关接收到数据后，将数据发送到服务器，在服务器上运行的数据采集服务程序对数据解析后，将有用数据储存到数据库中。当要对电磁水阀进行控制时，通过服务器的设备控制服务程序向LoRa网关发送指定信令，LoRa网关接收到信令后，将信令以电磁波的形式发送给LoRa数据采集控制器，LoRa数据采集控制器接收到信令后，对继电器进行控制，从而控制电磁水阀的开关。指示灯电路主要用于显示数据的上传和下传状态。

4 LoRa数据采集控制器的软件设计

LoRa数据采集控制器程序流程如图4所示。程序基于小型嵌入式系统FreeRTOS编写而成，在图中可看出程序主要分为三个任务，分别是数据定时上传任务、LoRa数据接收任务和LED指示任务。数据定时上传任务的功能是将从智能水表获得的数据打包并发送到网关，LoRa数据接收任务的功能是接收来自网关的信令，解析后执行相应的操作。LED指示任务的功能是指示当前是否在发送或接收数据。

5 结 语

随着城市的高速发展以及人口的大规模迁移，城市高层住宅规模越来越大，水表的数量随之急剧增加，导致人工抄表的难度越来越大，人工抄表的弊端也越来越突出。人工抄表需要工作人员挨家挨户抄表，工作量大，工作效率低，不能及时发现用户私自改装水表或欠费等现象，且存在错抄，估抄的情况，容易引起不必要的纠纷。本文设计的基于LoRa的智能水表系统不仅能够解决人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及存在安全隐患等方面的问题，还能为水力部门提供准确、高效、安全的数据信息。

参考文献

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[3]意法半导体公司. STM32F103C8T6单片机数据手册[Z].2007.

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