基于LoRa的高校學生宿舍 智能預付費系統(tǒng)設計與應用

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：介紹了一種利用LoRa協(xié)議實現(xiàn)技工院校學生宿舍智能抄表系統(tǒng)的設計方案。LoRa具有低功耗、遠距離、低延時的特點。抄表系統(tǒng)操作簡單，具有無擾安裝、靈活配置、實時監(jiān)控、擴展應用等特點。

關鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng)；LoRa；智能抄表

0引言

學生宿舍的水電表計量一直是學校管理的難點之一。由于學生住宿集中，水電表數(shù)量多，抄表工作量大，給學校后勤工作帶來了較大的壓力。近年來興起了多種智能抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能計費、在線查詢等功能。地解決了人工抄表帶來的繁瑣等問題。但是由于技術不成熟，也帶來一些問題。多數(shù)智能表依賴于有線網(wǎng)絡和電源。一臺智能水表需要一根電源線和一根通訊線，施工成本較高，且容易受到損壞。后期也有部分水表采用WiFi等方式走無線通信協(xié)議，但是由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，易受干擾，故障率高，系統(tǒng)運維成本很高，甚至導致一些矛盾出現(xiàn)，給后勤工作帶來了困難。低功耗物聯(lián)網(wǎng)接入模塊LORA的應用為學生宿舍智能

抄表系統(tǒng)提供了全新的解決方案，經(jīng)過試用解決了以前技術存在的問題，具有推廣價值。

1 Lora概述

LoRa是一種采用擴頻技術的無線傳輸通訊方案，該方案解決了超遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，該方案工作在全球公共通訊頻段。平衡了超遠距離和超低功耗，能夠提供具有遠距離、長電池壽命、低延時、大容量等優(yōu)點的無線通訊解決方案。選擇LoRa方案是因為智能抄表應用中，數(shù)據(jù)吞吐量不大，而對于終端的持續(xù)在線運行時間要求較高。LoRa能夠維持終端電池的使用時間長達數(shù)年，且通訊距離可達5000m，穿墻能力。特別適用于智能抄表這類長距離小流量數(shù)據(jù)通信使用。LoRa通訊方案由使用LoRa芯片的數(shù)據(jù)采集終端——智能表和LoRa集中器組成。采用簡單的星型拓撲結構。在這個結構中，LoRa集中器作為中繼，鏈接使用中的終端端設備和后端服務器。網(wǎng)關與服務器通過標準的IP6協(xié)議絡進行連接，由于網(wǎng)關充當透明中繼，終端設備可以和多個網(wǎng)關通信，所有的節(jié)點可進行雙向通信。

2智能硬件

基于LoRa的智能水表、電表是在普通電子水表、電表的基礎上增加LoRa智能抄表模塊組成的。模塊的主MCU采用強大的STM8L單片機和LoRaTM無線擴頻芯片組成，模塊集成了閥控電路、磁感應、主副電壓控制、主電壓檢測電路以及水表、電表采集電路。各個功能的實現(xiàn)都是依據(jù)行業(yè)內(nèi)多年形成的標準，在水表、電表采集電路方面，可設置為光電采集、單干簧管采集和雙干簧管采集，并且雙干簧管有強磁干擾保護。在市場也已經(jīng)有很成熟的產(chǎn)品，可以方便定制、選購。LoRa 模塊具有遠距離低功耗的特點，可以方便地在傳統(tǒng)電表、水表上改裝，在設計之初，已經(jīng)預計使用普通鋰電池即可實現(xiàn)長時間的運行。由于智能電表、水表需要增加執(zhí)行元件，會出現(xiàn)額外的功耗，因此需要另外尋求可靠的電源供給。對于智能電表而言，由于工作于電路，通過整流穩(wěn)壓后可以獲得電池系統(tǒng)的穩(wěn)定電源供給。因此在電子電表上增加LoRa模塊和電池模塊能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸。由于LoRa的低功耗特性，可以保持在寒暑假期間，長達2～3個月斷電情況下，保持數(shù)據(jù)刷新和控制使能。對于智能水表，由于水力管道的特殊性和現(xiàn)場條件所限。如果給水表提供單獨電源供電成本較高。且對于技工院校學生，由于技能較高，存在一定的風險。因此，采用了水力管道發(fā)電裝置作為 LoRa 模塊和電池模塊供電，并將裝置整合到水表中去。實現(xiàn)了獨立模塊，無損安裝，可適用于各種環(huán)境和老舊宿舍樓的改造，經(jīng)過測試，實現(xiàn)了持續(xù)運行。水力管道發(fā)電裝置利用嵌入水管的永磁體渦輪作為轉(zhuǎn)子，PVC管道外布置線圈。利用開關水流驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在PVC管道外的線圈中產(chǎn)生感應電流，經(jīng)過整流穩(wěn)壓后，供給電池充電系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能水表系統(tǒng)的持續(xù)供電。

3 系統(tǒng)組成

LoRa 技術采用星形網(wǎng)絡架構，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡架構相比，具有低延遲的簡單的網(wǎng)絡結構。基于LoRa的擴頻芯片，可以實現(xiàn)水表、電表與集中器直接組網(wǎng)連接，構成星形。由于LoRa技術傳輸距離遠，應用于智能水表、電表遠程通信時無需中繼器，使用簡單的星形組網(wǎng)就可以建立LoRa微功率網(wǎng)絡，因此其通信網(wǎng)絡結構為典型的星形網(wǎng)絡結構，如圖1所示。每個智能水表、電表終端，使用一個固定的硬件地址，并將硬件地址銘刻在智能電表、水表外殼上。在智能電、水表安裝以后，統(tǒng)計宿舍、位置和智能電表、水表的硬件地址。在工作站系統(tǒng)上進行硬件匹配，即可工作。更換損壞的智能水表、電表也僅需重新匹配硬件地址和宿舍

即可，系統(tǒng)配置靈活，操作便利。一個集中器與多個智能水表、電表相連接，智能水表、電表表端的通信模塊上裝有LoRa模塊，將表端的數(shù)字信號調(diào)制為LoRa信號并發(fā)送至集中器，集中器上裝有LoRa模塊和有線網(wǎng)絡模塊，利用LoRa模塊將接收到的LoRa信號解調(diào)處理，轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡信號并傳輸至基站，基站收到信息后進一步通過Internet 網(wǎng)絡傳輸至中央數(shù)據(jù)中心，也可不上傳。理論上LoRa集中器可以連接62500個節(jié)點，所以采用單一LoRa集中器即可組成智能抄表網(wǎng)絡，而且可以孤網(wǎng)運行。由于LoRa傳輸距離遠，穿墻能力強，一般一個宿舍組團使用一個LoRa集中器即可，可以靈活布置LoRa集中器，具有架設網(wǎng)絡容易、成本低廉的特點。

4.工作模式

系統(tǒng)的工作方式主要有自動輪詢、節(jié)點主動上報、喚醒輪詢3種工作方式：（1）自動輪詢可減少服務器負載量，只需通過簡單設置，LoRa網(wǎng)關可以自助下發(fā)數(shù)據(jù)。例如通過Modbus指令輪詢節(jié)點，無需服務器下發(fā)，節(jié)省網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量。適合智能表計及閘控、糧倉溫濕度監(jiān)控、Modbus 輪詢應用及產(chǎn)品改造等應用領。（2）透傳數(shù)據(jù)工作模式。LoRa模塊可直接與服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，減少有線連接的煩惱，只需LoRa網(wǎng)關和LoRa模塊負責透傳功能即可完成數(shù)據(jù)傳輸。適合不需要考慮功耗的控制類應用領域，比如智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等。（3）定時主動上報。定時上報就是為每個LoRa節(jié)點設置數(shù)據(jù)上報時間，通過定時節(jié)點喚醒用戶設備，進行數(shù)據(jù)上傳；適合煙感報警器、氣體檢測、垃圾桶檢測、智慧油田等應用領域。由于宿舍水表、電表的應用數(shù)據(jù)量不大，對實時性要求不高，綜合考慮功耗等因素，選擇自動輪詢上報模式。多數(shù)時間里，智能水表、電表處于休眠狀態(tài)，并不上報數(shù)據(jù)。在設定的時間里，服務器通過LoRa集中器廣播模式發(fā)送某一地址段的水表、電表喚醒指令。此時在LoRa集中器信號覆蓋范圍內(nèi)的智能水表、電表都能收到喚醒指令。當智能水表、電表收到喚醒指令后，進行地址比對，如果地址不符，則丟棄指令包，繼續(xù)休眠。如果地址相

符，則喚醒，向LoRa集中器發(fā)送包含水表地址信息、數(shù)據(jù)信息、時間信息的數(shù)據(jù)。智能水表、電表在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，繼續(xù)進入休眠狀態(tài)。集中器收到LoRa智能水表、電表發(fā)送的數(shù)據(jù)后，核對智能終端地址。如果相符，將智能終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務器；如果地址與喚醒指令地址段不符，將數(shù)據(jù)丟棄。服務器收到LoRa集中器發(fā)還的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫，用于后面的計費等應用。如果在特定的時間里，服務器仍未收到某地址的智能水表、電表反饋數(shù)據(jù)，將繼續(xù)喚醒查詢。如果查詢多次，沒有收到終端的上報數(shù)據(jù)，則向管理員報警，并進行下一組智能水表、電表的喚醒查詢。

5應用與實際意義

在廣州市智慧社保的項目中，涉及廣州市屬技工院校6所技師學院的15個校區(qū)，僅宿舍水控表總數(shù)就達到了4925臺。承接公司在部分校區(qū)，使用了LoRa技術。LoRa 技術的應用，地降低了施工技術難度，縮短了施工時間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于可以不依賴

Internet，系統(tǒng)運行成本低、經(jīng)濟好。也可通過網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，建立全市技工院校后勤管理大數(shù)據(jù)庫，配置方式靈活。LoRa 智能水表、電表終端采用電池供電，同時又使用了電源進行供電，設備的在線時間大大延長，可以實現(xiàn)終端免維護，整個系統(tǒng)可靠性高。在實際應用中，經(jīng)歷了寒暑假長期斷水、斷電的考驗，所有智能水表、電表均能正常喚醒，上報數(shù)據(jù)。同時由于LoRa協(xié)議的優(yōu)勢，系統(tǒng)具有抄表準確、工作簡單、維護容易、抗干擾能力強等特點。即使在突發(fā)停電情況下，依然可以正常工作，可靠性強。具有雙向傳輸功能，可以實現(xiàn)部分控制使能。在解決實際應用的基礎上，由于LoRa協(xié)議的實時性，根據(jù)采集的水電表數(shù)據(jù)也拓展了抄表系統(tǒng)的應用。跑冒滴漏一直是管道系統(tǒng)的老問題，由于LoRa協(xié)議的實時性，當擁有了全樓可計量水表的實時數(shù)據(jù)時，也有了新的解決辦法。如系統(tǒng)在學生上課時間喚醒查詢宿舍水表，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)某宿舍水表在上課時段長時間處于高流量，可以判斷

為水管忘關。系統(tǒng)可以向管理發(fā)出報警提醒。地解決了因?qū)W生忘關水龍頭，而造成水浪費或者水浸情況。同樣，在夏季學生上課期間，定時連續(xù)多次喚醒查詢宿舍電表，如果發(fā)現(xiàn)學生宿舍在上課期間仍有較大用電量，可以判斷學生宿舍空調(diào)、飲水機忘關。通過觸發(fā)報

警，可以提醒管理員、學生，避免浪費。針對管道的跑冒滴漏和損耗過大，也可以通過對智能表收集數(shù)據(jù)的實時分析來判斷。利用系統(tǒng)在凌晨2-4點定時上報數(shù)據(jù)的分析，可以得到主管道水表、分支管道水表的小流量數(shù)據(jù)。通過對比差值，可以判斷出水管系統(tǒng)的泄漏部分，可以及早發(fā)現(xiàn)管道損壞現(xiàn)象。同樣，在大量水、電計量數(shù)據(jù)的基礎上，對數(shù)據(jù)進行分析，可以繪制當天、當月甚至全年的水、電用量峰谷負荷圖。可以用于學校限水、電容量資源的合理調(diào)配。特別是能夠根據(jù)區(qū)域用量，合理均衡三相負荷，能夠達到降低線損，有利于供電設備長期可靠、經(jīng)濟運行的效果。

6安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

6.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。

6.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關-預付費電能表組成，通過通信網(wǎng)絡完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
   本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。

遠程售電:財務集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù)，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數(shù)據(jù)、能耗和財務的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

6.3 產(chǎn)品選型

7結束語

隨著技工院校學生、后勤管理的信息化水平提高，得益于LoRa通信的低功耗長距離通信優(yōu)勢的智能無線抄表將是未來發(fā)展的趨勢，將逐漸替代人工抄表和有線自動抄表。LoRa無線技術不僅能夠適用于水電表，也可以推廣到有限范圍內(nèi)，低功耗，遠距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸、使能的物聯(lián)網(wǎng)應用。特別是LoRa組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以孤網(wǎng)運行，不依賴運營商，可以降低系統(tǒng)的使用費用。相信，LoRa技術將得到更廣泛的應用。

【參考文獻】

【1】雷宇.基于LoRa的學生宿舍智能抄表系統(tǒng)設計

【2】趙太飛，陳倫斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2016（09）：298-301.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06