基于LoRa通訊的水流蓄能智能水表設(shè)計

周巧儀　張智靚

摘? 要：本項目設(shè)計從環(huán)保與能源利用方面著手，通過微型自來水發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)智能水表的能源自供給，結(jié)合LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低功耗、超遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)通訊，其研究成果可以應(yīng)用到智能建筑的自動抄表系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對水資源的智能化管理，節(jié)約智能建筑運(yùn)維成本，達(dá)到節(jié)能減排的目的，順應(yīng)國家綠色節(jié)能建筑的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：自動抄表;LoRa通訊;水流蓄能;智能水表;節(jié)能

中圖分類號：TU821.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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世紀(jì)是節(jié)約型社會，節(jié)約能源的必要性早已被人們所重視。我國水資源匱乏，據(jù)有關(guān)資料顯示，我國每年城市缺水達(dá)60億立方，因此造成約兩千億元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。同時，水資源存在低效利用和大肆浪費(fèi)等情況。因此，迫切需要借助智能水表，利用自動抄表技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水資源的智能化管理，同時也可實(shí)現(xiàn)對水資源的自動計量計費(fèi)，節(jié)約人力成本。

目前市面上可以見到的智能水表形式各異，根據(jù)通信方式不同主要有總線制和無線制兩大類。比較成熟的無線方案主要有ZigBee，GPRS，CDMA和小無線等。無線網(wǎng)絡(luò)通過利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，無需布設(shè)線纜介質(zhì)，使用便利，已獲得廣泛的應(yīng)用[2]。而LoRa技術(shù)則是一項近幾年才發(fā)布的面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制應(yīng)用的通信技術(shù)，具有低功耗和傳輸距離遠(yuǎn)的特性，有理由相信在不久的將來它將會在自動抄表領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。[3]作為無線通訊類的智能水表，普遍存在一個軟肋——電源供應(yīng)問題。為了真正實(shí)現(xiàn)無線，這一類的表具已經(jīng)取消了有線供電的方式，普遍采用干電池供電，這一供電方式具有結(jié)構(gòu)簡單、無需布線、供電成本低等優(yōu)勢，同時也存在著需要定期更換電池、干電池的廢棄易造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)。

本文將LoRa通信技術(shù)和水流蓄能技術(shù)應(yīng)用到無線抄表中，實(shí)現(xiàn)了智能采集數(shù)據(jù)信息、智能控制閥門開關(guān)、增加電池電量監(jiān)測及水流蓄能電能自供給等多種優(yōu)秀性能。

1 總體設(shè)計

智能水表作為自動抄表系統(tǒng)的設(shè)備終端，用于采集用戶的用水量，同時接收和執(zhí)行來自服務(wù)器的指令，從而實(shí)現(xiàn)對水資源的智能化管理。本設(shè)計利用水流蓄能模塊為智能水表提供電能：當(dāng)有水流流動時，水流蓄能電源模塊利用微型水力發(fā)電機(jī)和穩(wěn)壓電路、蓄能鋰電池為水表提供電能，同時流量采集模塊記錄用水量;利用LoRa通信模塊實(shí)現(xiàn)無線通訊：當(dāng)LoRa通信模塊接收到服務(wù)器數(shù)據(jù)采集命令時，智能水表進(jìn)行水量等數(shù)據(jù)信息的上報，當(dāng)LoRa通信模塊接收到欠費(fèi)指令后，MCU控制模塊發(fā)出關(guān)閥指令并通過電磁閥控制模塊關(guān)閉水路，實(shí)現(xiàn)斷水功能。此外，在有需要時，可利用RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信[4]?；贚oRa通訊的水流蓄能智能水表的硬件框架如圖1所示，由MCU控制模塊、LoRa通信模塊、水流蓄能模塊、電磁閥控制模塊、流量采集模塊、EEPROM存儲模塊及RS485通信串口組成。

2 硬件設(shè)計

2.1 MCU控制模塊

水流蓄能智能水表為實(shí)現(xiàn)能源的自供給，需要實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)行。而微控制決定了整個無線智能水表的功耗和性能。本智能水表設(shè)計選用意法半導(dǎo)體公司STM32L系列微控制器。該控制器采用Cortex-M3內(nèi)核，具有超低功耗，實(shí)時性好，外設(shè)豐富，代碼靈活等特點(diǎn)。同時，該芯片具有低功耗運(yùn)行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式5種低功耗工作模式，以及創(chuàng)新型自主動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能。[5]這些特點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)智能水表低功耗設(shè)計，在低功耗的原則下實(shí)現(xiàn)多功能，可滿足無線蓄能智能水表的設(shè)計需求。

2.2 LoRa通信模塊

智能水表與服務(wù)器之間的通信是整個無線自動抄表過程的關(guān)鍵，其通信性能決定著整個自動抄表系統(tǒng)的性能。從技術(shù)角度分析，LoRa通信技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、傳輸可靠、功耗低、時延短、使用免費(fèi)、成本低、施工要求低，在目前的技術(shù)條件下，它是最適合用于水表自動抄表的技術(shù)。本設(shè)計采用Microchip公司推出的433/868MHz RN2483模塊，該模塊IoT和M2M無線通信距離可超過10英里（郊區(qū)），并且能夠?qū)?shù)百萬的無線傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa技術(shù)網(wǎng)關(guān)連接起來。[6]

2.3 流量采集模塊

流量采集模塊采用中斷采集模式，利用流體傳感器帶動智能水表齒輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)智能水表轉(zhuǎn)動一圈時，中斷模式的I/O口電平會拉低，從而發(fā)出中斷信號。在智能水表接收到有效的中斷脈沖信號后，MCU由休眠模式轉(zhuǎn)至工作模式，并記錄一次中斷信號。通過這種中斷采集模式對中斷脈沖進(jìn)行計數(shù)，記錄用水量。

2.4 水流蓄能模塊

水流蓄能模塊主要包括微型水輪發(fā)電機(jī)、穩(wěn)壓控制回路、充電保護(hù)電路和鋰電池組成。微型水輪發(fā)電機(jī)裝設(shè)于電磁閥之前，當(dāng)有水流流過時帶動水輪發(fā)電，通過穩(wěn)壓控制回路輸出5V直流電壓為鋰電池充電，利用充電保護(hù)模塊將輸出電壓穩(wěn)定在鋰電池允許的充電電壓范圍之內(nèi)，從而保證鋰電池不會因為過充而損壞，保障了充電的安全。儲存在鋰電池中的電能作為低功耗運(yùn)行的LoRa通信智能水表正常工作所需能源儲備。

3 軟件設(shè)計

智能水表上電后先進(jìn)行各模塊系統(tǒng)初始化，然后判斷自動抄表系統(tǒng)服務(wù)器有沒有發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，如果智能水表接收到了服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)采集命令，則向服務(wù)器發(fā)送一次用水量、閥門開閉狀態(tài)、電池電量、欠費(fèi)等工作狀態(tài)信息。接著依次判斷水表齒輪是否轉(zhuǎn)完一圈、鋰電池電量是否充足、是否有欠費(fèi)等。如水表齒輪轉(zhuǎn)完一圈，則計數(shù)一次;如電池電量不足則會發(fā)送警告幀給服務(wù)器，并確保開啟水路閥門;如發(fā)生欠費(fèi)，在非電池電量不足狀態(tài)下會自動關(guān)閉閥門，如果欠費(fèi)狀態(tài)取消則會自動打開閥門。軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

4 結(jié)束語

本項目設(shè)計從環(huán)保與能源利用方面著手，通過微型自來水發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)智能水表的能源自供給，結(jié)合LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低功耗、超遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)通訊，其研究成果可以應(yīng)用到智能建筑的自動抄表系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對水資源的智能化管理，節(jié)約智能建筑運(yùn)維成本，達(dá)到節(jié)能減排的目的，順應(yīng)國家綠色節(jié)能建筑的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周雪蕾.設(shè)施農(nóng)業(yè)用水計量與調(diào)度管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[2]孫麗艷.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用及發(fā)展方向研究[J].硅谷，2008，20：58-91.

[3]羅貴英.基于LoRa的水表抄表系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]鄭子含，劉高平.基于ADE7755的單相電子式電能表設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2012，28（4）：59-61.

[5]楊歡，李紅信.一種采用LoRa技術(shù)的智能水表設(shè)計[J].無線電工程，2017，47（12）：75-78.

[6]Microchip公司.Microchip LoRa? 無線模塊全球首獲LoRa聯(lián)盟認(rèn)證[EB/OL].http：//www.elecfans.com/tongxin/rf/20151228396167.html.2015-12-28.