基于LoRa和NB-IoT物联网技术的管网监测系统设计

石英春，陈春阳,王 巍

(1.中南大学交通运输工程学院，湖南长沙 410083；2.湖南信息职业技术学院电子工程学院，湖南长沙 410200)

0 引言

由于老旧管网智能化水平低，二次供水检测设备落后，主要采用人工读取其压力、流量、水位和水质检测，导致数据读取不及时、人工读取困难、数据读取容易出错等问题，这使得很难快速找到漏水故障点，排查漏水事故，造成水资源的巨大浪费。实施供水管网智能化建设工程，建立基于物联网的智能管网平台，提高供水管网的信息化和智能化水平[1-2]。

随着智能技术的进步，管网监测设备采取升级换代的方式，在不改变原有设备管网检测功能的前提下，通过设计智能管网系统，端点采集设备采用远距离无线通信方式(long range radio，LoRa)，在数据抄读方面实现管网计量、监测的智能化，形成大量的、精细化的管网运行状态检测数据，将管网数据上传到管网监测终端，管网监测终端与云端服务平台之间采用窄带物联网(narrowband internet of things，NB-IoT)通信方式，将数据传输到管网运营平台，对管网数据进行分析，监测管网设备的运行状态，为供水管网漏损控制提供有利的数据支撑[3-4]。

1 系统的总体设计

基于物联网技术的智能管网系统设计如图1所示。由端点采集设备、管网监测终端、云端服务平台、手机APP客户端、浏览器客户端组成，管网监测终端可以接收不同采集设备监测到的管网数据信息。

端点采集设备可以采集管道中水的压力数据、管道流量数据、管道水位数据、管道水质数据(包括出水pH值、出水余氯、出水混度、原水混度)等信息，端点采集设备与管网监测终端采用LoRa通信方式，克服了有线通信方式施工复杂、维护困难，蓝牙通信方式传输距离短，GPRS通信方式成本高等缺点，采用LoRa点对点通信技术，操作简单、传输数据稳定等[5-6]。

管网监测终端将通过下行LoRa路由节点抄读某一区域端点采集设备的所有数据信息，将数据进行本地存储，并通过NB-IoT传输方式，连接到基站，传输到对应的云服务平台，实现数据的汇集分析[7-8]。

云端服务平台接收管网监测终端发送来的数据，存储到云端数据库服务器，并将数据进行智能化分析，实现最优的管网漏损判断，达到精准漏损控制的目的。手机APP客户端、浏览器客户端实现对抄回的管网数据分析后的展示[9-10]。

2 系统的硬件架构

2.1 端点采集设备设计

考虑端点采集设备的功能需求，将端点采集设备分为公用模块和专用模块。公用模块包括微处理器、电源处理电路、电源控制电路、设备上行通信模块、通信天线、下载口等部件；专用模块分为管网压力模块、管网流量模块、管网水位高度模块、水质监测模块等。

微处理器通过专用模块采集到管网中的压力、流量、水位高度、pH值、出水余氯、出水混度、原水混度等信息，然后将采集的数据信息通过设备上行通信模块发送到管网监测终端。由于管网设备大部分以铁管为主，且管段之间有浸水或爆管的情况发生，不适用于外部电源接线，采用外部锂电池供电方式，电源处理电路首先接入外部锂电池，然后通过电源处理电路滤波，给端点采集设备的各模块提供电能。其系统硬件如图2所示。

图2 端点采集设备硬件框图

2.1.1 微处理模块

本系统采用STM32系列芯片，具体型号为：STM32L051，32位MCU，基于Cortex-M0的ARM内核，最大1 MB的FLASH、8 KB的SRAM存储器，2 KB EEPROM存储器，12位的AD转换器，2个USART接口和1个UART接口[11-12]。

2.1.2 专用模块

端点采集设备应用于不同场合，通过专用模块，组合成不同的端点采集设备。具体为，通过管网压力模块与公用模块结合组成管网压力计；通过管网流量模块与公用模块结合组成管网流量计；通过管网水位高度模块与公用模块结合组成管网液位计；通过管网水质监测模块与公用模块结合组成管网水质检测仪。各专用模块与通用模块的微处理器之间采用TTL串口形式连接，通过modbus通讯协议进行数据交互。

2.1.3 设备上行通信模块

设备上行通信模块使用LoRa通信方式，采用国产通用的LoRa无线通信模组，外围电路方便。该模组集成了SX1262芯片、LoRa射频收发器和 LoRa调制解调器；其频率覆盖 150～960 MHz连续频段；支持LoRa调制和FSK调制。并且在SF12下接收灵敏度超过-140 dBm，最大的发送功率为 22 dBm，最大的工作电流为108 mA，Sleep mode电流低至0.6 μA，该模组适合超远距离、超低功耗、高性价比的LPWAN 应用。此方案将模组SPI接口与微处理器的SPI接口相连。

2.2 管网监测终端设计

管网监测终端包括下行路由模块、电源模块、存储模块、终端上行通信模块等部件，该终端通过下行路由模块抄读端点采集设备中的压力、流量、液位和水质信息，并将数据存储到内部存储模块中，供管网云端服务平台抄读数据。管网监测终端因安装在户内，上传频次较高，因此电源模块通常采用220 V外部电源供电方式，通过电源模块整流、稳压处理后，为整个系统提供电能。下行路由模块和存储模块均是采用SPI接口的方式分别连接到微处理器的SPI0和SPI1接口。终端上行通信模块采用串口的方式与微处理器的低功耗串口相连，并对通信电源进行控制，保证通信模块工作稳定和可靠复位。其系统硬件框图如图3所示。

图3 管网监测终端硬件框图

2.2.1 Cortex-M0处理器模块

本系统采用32位系列芯片，具体型号为HC32L190JCTA，ARM32位Cortex-M0内核，内部带有256 KB的Flash存储器，32 KB的RAM存储器，附带奇偶校验，增强系统的稳定性，2 路 SPI 标准通讯接口，4路UART标准通讯接口，内部资源满足管网监测终端的应用需求。

2.2.2 终端上行通信模块

上行通信模块采用窄带物联网(NB-IoT)通信方式，因其具有广覆盖、宽连接的特点而广泛应用在数据传输领域。采用M5311高性能模组，该模组供电电压低至2.1 V，支持电池和外部两种供电方式，能最大限度使用电池电量，获得更长的终端寿命，提供丰富的外部接口和协议栈，支持外接传感器设备，为用户的产品开发提供便利。工作电压适用范围为3.0～3.6 V，典型应用为3.3 V。如图4所示，供给的电源电压，采用了MOS管控制的方式，在不用的状态下可靠断电，复位管脚DEC_RST_A 和电源控制管脚DCE_PWR_A都采用了辅助电路接地的控制方式，在通信DTE_TXD和DTE_RXD回路中均增加了电平转换电路，实现了3.0 V电平和1.8 V电平转换。避免M5311和微处理器的输出电平不一致，而损坏内部电路。

图4 终端上行通信模块电路

2.2.3 下行路由模块

管网监测终端通过下行路由模块接收端点采集设备中设备上行通信模块发送的数据信息。下行路由模块与设备上行通信模块通信,使用480～510 MHz的频段，采用LoRa调试方式，由于管网监测终端为外部电源供电，其供电电源采用常供电的方式，实时准备接收下行端点采集设备的数据，并将数据存储到大容量存储芯片中，通信天线采用外置吸盘天线。

3 系统的软件设计

3.1 端点采集设备软件设计

端点采集设备根据不同应用场景，将采集管网中的数据量信息，比如管网中的压力、流量、水位高度、pH值、出水余氯、出水混度、原水混度等，根据微控制器的预先设置，通过设备上行通信模块发送到管网监测终端。根据不同的端点采集设备，采用模块化设计，具体包括压力模块、流量模块、液位模块、水质模块、上行通信模块等部分。端点采集设备的软件整体流程如图5所示。

图5 端点采集设备流程图

3.2 管网监测终端软件设计

管网监测终端将采集的端点采集设备数据信息，通过终端上行通信模块上传到云端服务平台，并接收云端服务平台的下行命令，传输至端点采集设备，实现对端点管网设备的控制。程序过程：首先处理器进行初始化各管脚，配置相关寄存器。随后，等待接收云端服务平台指令，如果收到指令，进行解析并判断是否上传数据，收到上传数据的命令后向云端发送数据；当未收到云平台的接收指令时，继续判断是否收到端点采集设备的发送请求，如果收到，就接收端点采集设备的数据，并发送接收完成指令，否则继续等待接收云端服务平台指令。管网监测终端流程图如图6所示。

图6 管网监测终端流程图

4 智能管网监测系统验证

在湖南省内某自来水公司搭建了基于物联网的智能管网监测系统云端服务平台，对管网端点采集设备数据进行采集和数据分析，连续正常运行12个月，抄读管网设施运行状态数据成功率达99%以上。此平台通过物联网技术，将管网监测终端采集的管网中的压力、流量、水位高度、pH值、出水余氯、出水混度、原水度等信息，汇聚到云端服务器，进行浏览、查询、展示与分析。图7为系统抄读数据值。图7(a)为管网流量计数据，包括正向累计流量、逆向累计流量、瞬时流量信息；图7(b)为水质分析仪监测到的水质数据，包括出水pH值、出水余氯值、出水浊度值、出水原水混度等信息。

(a)管网流量计数据

管理人员根据用水结构对某区域的供水量进行分类汇总,通过云端服务平台可视化界面可以查看到水表增长量分析、管道口径统计、数据汇总、设备类型统计、日用水量统计、小区日用水量统计、小区月用水量统计等信息，实现管网漏损分析，查找漏水故障点，节约用水资源，如图8所示。

图8 云端服务平台可视化界面

5 结束语

通过搭建基于物联网的智能管网监测系统，有效解决了管网数据抄读不及时，人工抄读困难、抄读数据易出错、维护成本高、漏损分析困难等问题。该检测系统总体运行良好，抄读数据成功率达99%以上，为管理人员提供详细、准确、及时的管网供水设备信息和供水质量的重要参数，便于后续进行管网数据分析，为管网漏损控制提供参考。管理人员还可以通过手机APP客户端、浏览器客户端实时查看管网水量、水压、水质、水位等信息，满足管理人员监测的需求。