LoRa智慧水务解决方案

LoRa智慧水务解决方案

▌方案概述

抄水表的方案有很多种技术可以实现，目前主要有有线抄表和无线抄表两大类别。在各种抄表技术中，无线抄表技术是比较容易被接受的，因为不需要现场布线，安装方便维护更新简单。但一些无线技术也存在着一些应用上的问题，如FSK距离短、穿透力差、无线信号不稳定，GPRS又太耗电。LoRa技术的出现为抄表应用解决了传输距离、网络信号和耗电等问题。本文推荐一个基于LoRaWAN的智慧水务解决方案。

下图是基于LoRaWAN网络架构的水表系统框图：

本方案采用了LoRaWAN网络的标准架构，并将传统的水表终端改造成了LoRa水表终端，网络服务器部分还针对抄水表的数据业务特点进行了相应地优化。

▌LoRa智慧水务解决方案架构

下图是本方案的架构示意图：

终端层 - 方案提供了具有LoRa功能的PCBA，并且对目前的水气表PCBA的刷胶工艺进行了改进，采用防水盒式设计，方便后期的维护和软件更新。LoRa天线针对水表的安装环境进行了设计和优化，收发性能良好。

网络层 - 采用了基于LoRaWAN的协议标准，并针对水表数据业务进行了优化处理。低功耗广域（LPWA）技术为大规模数据采集系统的应用提供了很好的技术支撑。针对LoRa网络信号的盲区，还设计了一款低成本的LoRa中继设备，解决了LoRa网络覆盖的问题。目前，从试点的效果来看比较理想。

云平台 - 智能硬件云平台提供集群部署、协议和服务管理等。LoRaWAN的网络服务器（NS）可以私有云部署，也可以公有云部署，更方便项目灵活地部署。

应用层 - 智能水务应用平台负责运维管理、数据可视化等

▌LoRa 水表产品

下图是水表和模块实物图片：

为解决后期的MCU固件升级更新问题，本方案还设计了一款专用工具和软件，可通过近距离无线升级方式（OTA），无需拆卸表壳，节省了维护成本，提高了效率。

主要功能介绍：

·        最低-147dBm的高链路灵敏度

·        最大20公里的空空通信距离

·        1.5~2.5公里的城市密集区域通信距离

·        最大20层的跨楼层通信能力

·        最低5uA的超低功耗设计，确保产品6~10年的有效使用周期

·        高精度脉冲数目计数误差：±1个/年

·        低延迟远程唤醒功能

·        智能OTA升级功能

·        先进的防偷盗水功能，远程自动报警

·        支持外部磁信号强制触发唤醒功能

·        无缝对接水表设备云及自来水厂管理平台，保证数据安全性

▌LoRa 模组

LoRa模组的主芯片采用了Semtech公司的SX1278和ST公司的超低功耗MCUSTM32051C8。模组频率采用了中国适用频段470-510MHz，支持LoRaWAN标准协议。

主要功能介绍：

·        内置STM32L051C8处理器

·        支持LoRaWAN™ 1.0协议栈

·        支持LoRaWAN™ Class A、Class C

·        使用TCXO

·        最大链路预算可达168dB

·        127dB的RSSI动态范围

·        9.9mA低接收电流，200nA待机电流

·        支持AES128/SM4等多种安全加密

·        支持FSK、GFSK、LoRa™等调制方式

·        自动射频信号检测,CAD模式和超高速AFC

多种加密技术（AES128/SM4）保证了网络和数据的安全。

▌LoRa 网关

LoRa网关符合LoRaWAN协议规范，支持多信道并发，POE供电，带有GPS功能，回程采用3G/4G/WiFi等多种链路。LoRa网关经过抗干扰优化设计，可满足各种不同的环境应用。

主要功能介绍：

·        可同时接收同一信道流量

·        易于扩展，增加网络容量

·        可同时解调2MHz的带宽

·        简单的星形网络一没有延迟

·        自适应链路速率

·        同时通讯节点10万指标

·        发射功率27dBm

·        链路灵敏度-157dBm

▌LoRa 网络服务器

LoRa网络服务器可进行私有化部署或公有云部署，公有云如阿里云等。

主要功能介绍：

·        LoRaWAN. MAC

·        GW网管及配置

·        EN配置及OTA

·        与应用服务器数据交互

·        基于源数据选择最佳的下游路径

·        RTCM高精度定位差分数据广播( 选购)

·        调度下行流量

·        GWM接入数量：2000台

·        EN接入数量：>100万

▌云平台及应用平台

智能水表应用平台主要功能介绍：

·        抄表管理（设置，小区、水厂管理等）

·        产品生命周期管理（测试、安装、追溯）

·        运营管理（监控、升级、记录等）

·        数据可视化（统计、查询、图表、报表）

智能硬件云平台主要功能介绍：

·        采用Dubbo分布式框架支持大容量高并发请求

·        采用Docker容器集群部署节约资源和时间

·        支持OAuth2.0协议认证授权

·        支持多协议通信（HTTP, MQTT, TCP/UDP等)

·        实时请求服务治理和服务监控

▌智能抄表管理平台、收费平台&智慧生活App

下图是抄表系统后台管理界面截图和App界面截图，提供了可视化的数据管理后台。

▌产品测试及测试设备

产品的研发和生产离不开测试仪器仪表，专业完善的仪器仪表保证了方案设计的品质。

▌结语

本方案基于标准的LoRaWAN协议而设计，针对抄水表的数据业务而优化。在实际进行LoRaWAN网络部署的时，难免会存在信号的盲区，为此专门设计了低成本LoRaWAN网络的补盲中继器，实现了LoRaWAN网络信号的无死角覆盖。为方便水表的维护和升级还设计了一款空中升级工具，无需打开表壳，就可以进行MCU固件的升级操作，方便了现场的维护和软件更新。

本方案同样适用于抄气表的应用。