基于LoRa通讯的水流蓄能智能水表设计

周巧仪　张智靓

摘  要：本项目设计从环保与能源利用方面着手，通过微型自来水发电装置实现智能水表的能源自供给，结合LoRa技术实现超低功耗、超远距离的无线数据通讯，其研究成果可以应用到智能建筑的自动抄表系统中，实现对水资源的智能化管理，节约智能建筑运维成本，达到节能减排的目的，顺应国家绿色节能建筑的建设标准。

关键词：自动抄表;LoRa通讯;水流蓄能;智能水表;节能

中图分类号：TU821.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）34-0035-02

Abstract： The design of this project starts from the aspects of environmental protection and energy utilization， realizes the energy self-supply of intelligent water meter through micro tap power generation device， and realizes ultra-low power consumption and ultra-long distance wireless data communication combined with LoRa technology. The research results can be applied to the automatic meter reading system of intelligent building to realize the intelligent management of water resources， save the operation and maintenance cost of intelligent building， achieve the purpose of energy saving and emission reduction， and conform to the construction standard of national green energy-saving building.

Keywords： automatic meter reading; LoRa communication; flow energy storage; intelligent water meter; energy saving

21世纪是节约型社会，节约能源的必要性早已被人们所重视。我国水资源匮乏，据有关资料显示，我国每年城市缺水达60亿立方，因此造成约两千亿元的经济损失[1]。同时，水资源存在低效利用和大肆浪费等情况。因此，迫切需要借助智能水表，利用自动抄表技术，实现对水资源的智能化管理，同时也可实现对水资源的自动计量计费，节约人力成本。

目前市面上可以见到的智能水表形式各异，根据通信方式不同主要有总线制和无线制两大类。比较成熟的无线方案主要有ZigBee，GPRS，CDMA和小无线等。无线网络通过利用电磁波在空气中发送和接收数据，无需布设线缆介质，使用便利，已获得广泛的应用[2]。而LoRa技术则是一项近几年才发布的面向无线传感网络与控制应用的通信技术，具有低功耗和传输距离远的特性，有理由相信在不久的将来它将会在自动抄表领域占据主导地位。[3]作为无线通讯类的智能水表，普遍存在一个软肋——电源供应问题。为了真正实现无线，这一类的表具已经取消了有线供电的方式，普遍采用干电池供电，这一供电方式具有结构简单、无需布线、供电成本低等优势，同时也存在着需要定期更换电池、干电池的废弃易造成环境污染等缺点。

本文将LoRa通信技术和水流蓄能技术应用到无线抄表中，实现了智能采集数据信息、智能控制阀门开关、增加电池电量监测及水流蓄能电能自供给等多种优秀性能。

1 总体设计

智能水表作为自动抄表系统的设备终端，用于采集用户的用水量，同时接收和执行来自服务器的指令，从而实现对水资源的智能化管理。本设计利用水流蓄能模块为智能水表提供电能：当有水流流动时，水流蓄能电源模块利用微型水力发电机和稳压电路、蓄能锂电池为水表提供电能，同时流量采集模块记录用水量;利用LoRa通信模块实现无线通讯：当LoRa通信模块接收到服务器数据采集命令时，智能水表进行水量等数据信息的上报，当LoRa通信模块接收到欠费指令后，MCU控制模块发出关阀指令并通过电磁阀控制模块关闭水路，实现断水功能。此外，在有需要时，可利用RS485通信模块实现与上位机的通信[4]。基于LoRa通讯的水流蓄能智能水表的硬件框架如图1所示，由MCU控制模块、LoRa通信模块、水流蓄能模块、电磁阀控制模块、流量采集模块、EEPROM存储模块及RS485通信串口组成。

2 硬件设计

2.1 MCU控制模块

水流蓄能智能水表为实现能源的自供给，需要实现超低功耗运行。而微控制决定了整个无线智能水表的功耗和性能。本智能水表设计选用意法半导体公司STM32L系列微控制器。该控制器采用Cortex-M3内核，具有超低功耗，实时性好，外设丰富，代码灵活等特点。同时，该芯片具有低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待机模式5种低功耗工作模式，以及创新型自主动态电压调节功能。[5]这些特点有利于实现智能水表低功耗设计，在低功耗的原则下实现多功能，可满足无线蓄能智能水表的设计需求。

2.2 LoRa通信模块

智能水表与服务器之间的通信是整个无线自动抄表过程的关键，其通信性能决定着整个自动抄表系统的性能。从技术角度分析，LoRa通信技术抗干扰能力强、传输可靠、功耗低、时延短、使用免费、成本低、施工要求低，在目前的技术条件下，它是最适合用于水表自动抄表的技术。本设计采用Microchip公司推出的433/868MHz RN2483模块，该模块IoT和M2M无线通信距离可超过10英里（郊区），并且能够将數百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来。[6]

2.3 流量采集模块

流量采集模块采用中断采集模式，利用流体传感器带动智能水表齿轮转动，当智能水表转动一圈时，中断模式的I/O口电平会拉低，从而发出中断信号。在智能水表接收到有效的中断脉冲信号后，MCU由休眠模式转至工作模式，并记录一次中断信号。通过这种中断采集模式对中断脉冲进行计数，记录用水量。

2.4 水流蓄能模块

水流蓄能模块主要包括微型水轮发电机、稳压控制回路、充电保护电路和锂电池组成。微型水轮发电机装设于电磁阀之前，当有水流流过时带动水轮发电，通过稳压控制回路输出5V直流电压为锂电池充电，利用充电保护模块将输出电压稳定在锂电池允许的充电电压范围之内，从而保证锂电池不会因为过充而损坏，保障了充电的安全。储存在锂电池中的电能作为低功耗运行的LoRa通信智能水表正常工作所需能源储备。

3 软件设计

智能水表上电后先进行各模块系统初始化，然后判断自动抄表系统服务器有沒有发送数据采集指令，如果智能水表接收到了服务器发出的数据采集命令，则向服务器发送一次用水量、阀门开闭状态、电池电量、欠费等工作状态信息。接着依次判断水表齿轮是否转完一圈、锂电池电量是否充足、是否有欠费等。如水表齿轮转完一圈，则计数一次;如电池电量不足则会发送警告帧给服务器，并确保开启水路阀门;如发生欠费，在非电池电量不足状态下会自动关闭阀门，如果欠费状态取消则会自动打开阀门。软件设计流程图如图2所示。

4 结束语

本项目设计从环保与能源利用方面着手，通过微型自来水发电装置实现智能水表的能源自供给，结合LoRa技术实现超低功耗、超远距离的无线数据通讯，其研究成果可以应用到智能建筑的自动抄表系统中，实现对水资源的智能化管理，节约智能建筑运维成本，达到节能减排的目的，顺应国家绿色节能建筑的建设标准。

参考文献：

[1]周雪蕾.设施农业用水计量与调度管理系统的应用研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[2]孙丽艳.无线网络技术优势、应用及发展方向研究[J].硅谷，2008，20：58-91.

[3]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.

[4]郑子含，刘高平.基于ADE7755的单相电子式电能表设计[J].微计算机信息，2012，28（4）：59-61.

[5]杨欢，李红信.一种采用LoRa技术的智能水表设计[J].无线电工程，2017，47（12）：75-78.

[6]Microchip公司.Microchip LoRa  无线模块全球首获LoRa联盟认证[EB/OL].http：//www.elecfans.com/tongxin/rf/20151228396167.html.2015-12-28.