基于LoRa的高校学生宿舍智能预付费系统设计与应用
2021-10-15 14:21:00 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要：介绍了一种利用LoRa协议实现技工院校学生宿舍智能抄表系统的设计方案。LoRa具有低功耗、远距离、低延时的特点。抄表系统操作简单，具有无扰安装、灵活配置、实时监控、扩展应用等特点。
关键词: 物联网；LoRa；智能抄表
0引言
学生宿舍的水电表计量一直是学校管理的难点之一。由于学生住宿集中，水电表数量多，抄表工作量大，给学校后勤工作带来了较大的压力。近年来兴起了多种智能抄表系统，实现了智能计费、在线查询等功能。有效地解决了人工抄表带来的繁琐等问题。但是由于技术不成熟，也带来一些问题。多数智能表依赖于有线网络和电源。一台智能水表需要一根电源线和一根通讯线，施工成本较高，且容易受到损坏。后期也有部分水表采用WiFi等方式走无线通信协议，但是由于系统不稳定，易受干扰，故障率高，系统运维成本很高，甚至导致一些矛盾出现，给后勤工作带来了困难。低功耗物联网接入模块LORA的应用为学生宿舍智能
抄表系统提供了全新的解决方案，经过试用解决了以前技术存在的问题，具有推广价值。
1 Lora概述
LoRa是一种采用扩频技术的无线传输通讯方案，该方案解决了超远距离无线数据传输的难题，该方案工作在全球公共通讯频段。平衡了超远距离和超低功耗，能够提供具有远距离、长电池寿命、低延时、大容量等优点的无线通讯解决方案。选择LoRa方案是因为智能抄表应用中，数据吞吐量不大，而对于终端的持续在线运行时间要求较高。LoRa能够维持终端电池的使用时间长达数年，且通讯距离可达5000m，穿墙能力。特别适用于智能抄表这类长距离小流量数据通信使用。LoRa通讯方案由使用LoRa芯片的数据采集终端——智能表和LoRa集中器组成。采用简单的星型拓扑结构。在这个结构中，LoRa集中器作为中继，链接使用中的终端端设备和后端服务器。网关与服务器通过标准的IP6协议络进行连接，由于网关充当透明中继，终端设备可以和多个网关通信，所有的节点可进行双向通信。
2智能硬件
基于LoRa的智能水表、电表是在普通电子水表、电表的基础上增加LoRa智能抄表模块组成的。模块的主MCU采用强大的STM8L单片机和LoRaTM无线扩频芯片组成，模块集成了阀控电路、磁感应、主副电压控制、主电压检测电路以及水表、电表采集电路。各个功能的实现都是依据行业内多年形成的标准，在水表、电表采集电路方面，可设置为光电采集、单干簧管采集和双干簧管采集，并且双干簧管有强磁干扰保护。在市场也已经有很成熟的产品，可以方便定制、选购。LoRa 模块具有远距离低功耗的特点，可以方便地在传统电表、水表上改装，在设计之初，已经预计使用普通锂电池即可实现长时间的运行。由于智能电表、水表需要增加执行元件，会出现额外的功耗，因此需要另外寻求可靠的电源供给。对于智能电表而言，由于工作于电路，通过整流稳压后可以获得电池系统的稳定电源供给。因此在电子电表上增加LoRa模块和电池模块能够实现稳定的数据采集和传输。由于LoRa的低功耗特性，可以保持在寒暑假期间，长达2～3个月断电情况下，保持数据刷新和控制使能。对于智能水表，由于水力管道的特殊性和现场条件所限。如果给水表提供单独电源供电成本较高。且对于技工院校学生，由于*技能较高，存在一定的风险。因此，采用了水力管道发电装置作为 LoRa 模块和电池模块供电，并将装置整合到水表中去。实现了独立模块，无损安装，可适用于各种环境和老旧宿舍楼的改造，经过测试，实现了持续运行。水力管道发电装置利用嵌入水管的永磁体涡轮作为转子，PVC管道外布置线圈。利用开关水流驱动永磁转子转动，在PVC管道外的线圈中产生感应电流，经过整流稳压后，供给电池充电系统，可实现智能水表系统的持续供电。
3 系统组成
LoRa 技术采用星形网络架构，与网状网络架构相比，具有低延迟的简单的网络结构。基于LoRa的扩频芯片，可以实现水表、电表与集中器直接组网连接，构成星形。由于LoRa技术传输距离远，应用于智能水表、电表远程通信时无需中继器，使用简单的星形组网就可以建立LoRa微功率网络，因此其通信网络结构为典型的星形网络结构，如图1所示。每个智能水表、电表终端，使用一个固定的硬件地址，并将硬件地址铭刻在智能电表、水表外壳上。在智能电、水表安装以后，统计宿舍、位置和智能电表、水表的硬件地址。在工作站系统上进行硬件匹配，即可工作。更换损坏的智能水表、电表也仅需重新匹配硬件地址和宿舍
即可，系统配置灵活，操作便利。一个集中器与多个智能水表、电表相连接，智能水表、电表表端的通信模块上装有LoRa模块，将表端的数字信号调制为LoRa信号并发送至集中器，集中器上装有LoRa模块和有线网络模块，利用LoRa模块将接收到的LoRa信号解调处理，转换为有线网络信号并传输至基站，基站收到信息后进一步通过Internet 网络传输至中央数据中心，也可不上传。理论上LoRa集中器可以连接62500个节点，所以采用单一LoRa集中器即可组成智能抄表网络，而且可以孤网运行。由于LoRa传输距离远，穿墙能力强，一般一个宿舍组团使用一个LoRa集中器即可，可以灵活布置LoRa集中器，具有架设网络容易、成本低廉的特点。
4.工作模式
系统的工作方式主要有自动轮询、节点主动上报、唤醒轮询3种工作方式：（1）自动轮询可减少服务器负载量，只需通过简单设置，LoRa网关可以自助下发数据。例如通过Modbus指令轮询节点，无需服务器下发，节省网络数据流量。适合智能表计及闸控、粮仓温湿度监控、Modbus 轮询应用及产品改造等应用领。（2）透传数据工作模式。LoRa模块可直接与服务器进行数据传输，减少有线连接的烦恼，只需LoRa网关和LoRa模块负责透传功能即可完成数据传输。适合不需要考虑功耗的控制类应用领域，比如智慧城市、智慧农业等。（3）定时主动上报。定时上报就是为每个LoRa节点设置数据上报时间，通过定时节点唤醒用户设备，进行数据上传；适合烟感报警器、气体检测、垃圾桶检测、智慧油田等应用领域。由于宿舍水表、电表的应用数据量不大，对实时性要求不高，综合考虑功耗等因素，选择自动轮询上报模式。多数时间里，智能水表、电表处于休眠状态，并不上报数据。在设定的时间里，服务器通过LoRa集中器广播模式发送某一地址段的水表、电表唤醒指令。此时在LoRa集中器信号覆盖范围内的智能水表、电表都能收到唤醒指令。当智能水表、电表收到唤醒指令后，进行地址比对，如果地址不符，则丢弃指令包，继续休眠。如果地址相
符，则唤醒，向LoRa集中器发送包含水表地址信息、数据信息、时间信息的数据。智能水表、电表在发送完数据后，继续进入休眠状态。集中器收到LoRa智能水表、电表发送的数据后，核对智能终端地址。如果相符，将智能终端数据转发到服务器；如果地址与唤醒指令地址段不符，将数据丢弃。服务器收到LoRa集中器发还的数据后，将数据放入数据库，用于后面的计费等应用。如果在特定的时间里，服务器仍未收到某地址的智能水表、电表反馈数据，将继续唤醒查询。如果查询多次，没有收到终端的上报数据，则向管理员报警，并进行下一组智能水表、电表的唤醒查询。
5应用与实际意义
在广州市智慧社保的项目中，涉及广州市属技工院校6所技师学院的15个校区，仅宿舍水控表总数就达到了4925台。承接公司在部分校区，使用了LoRa技术。LoRa 技术的应用，有效地降低了施工技术难度，缩短了施工时间，提高了系统的稳定性。由于可以不依赖
Internet，系统运行成本低、经济好。也可通过网络发送到数据中心，建立全市技工院校后勤管理大数据库，配置方式灵活。LoRa 智能水表、电表终端采用电池供电，同时又使用了电源进行供电，设备的在线时间大大延长，可以实现终端免维护，整个系统可靠性高。在实际应用中，经历了寒暑假长期断水、断电的考验，所有智能水表、电表均能正常唤醒，上报数据。同时由于LoRa协议的优势，系统具有抄表准确、工作简单、维护容易、抗干扰能力强等特点。即使在突发停电情况下，依然可以正常工作，可靠性强。具有双向传输功能，可以实现部分控制使能。在解决实际应用的基础上，由于LoRa协议的实时性，根据采集的水电表数据也拓展了抄表系统的应用。跑冒滴漏一直是管道系统的老问题，由于LoRa协议的实时性，当拥有了全楼可计量水表的实时数据时，也有了新的解决办法。如系统在学生上课时间唤醒查询宿舍水表，通过数据发现某宿舍水表在上课时段长时间处于高流量，可以判断
为水管忘关。系统可以向管理发出报警提醒。有效地解决了因学生忘关水龙头，而造成水浪费或者水浸情况。同样，在夏季学生上课期间，定时连续多次唤醒查询宿舍电表，如果发现学生宿舍在上课期间仍有较大用电量，可以判断学生宿舍空调、饮水机忘关。通过触发报
警，可以提醒管理员、学生，避免浪费。针对管道的跑冒滴漏和损耗过大，也可以通过对智能表收集数据的实时分析来判断。利用系统在凌晨2-4点定时上报数据的分析，可以得到主管道水表、分支管道水表的小流量数据。通过对比差值，可以判断出水管系统的泄漏部分，可以有效及早发现管道损坏现象。同样，在大量水、电计量数据的基础上，对数据进行分析，可以绘制当天、当月甚至全年的水、电用量峰谷负荷图。可以用于学校限水、电容量资源的合理调配。特别是能够根据区域用量，合理均衡三相负荷，能够达到降低线损，有利于供电设备长期可靠、经济运行的效果。
6安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台
6.1 系统方案
系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。
6.2 系统功能
AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。
远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。
水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。
远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数，方便快捷。
能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。
在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。
短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。
远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。
6.3 产品选型
7结束语
随着技工院校学生、后勤管理的信息化水平提高，得益于LoRa通信的低功耗长距离通信优势的智能无线抄表将是未来发展的趋势，将逐渐替代人工抄表和有线自动抄表。LoRa无线技术不仅能够适用于水电表，也可以推广到有限范围内，低功耗，远距离、低速率的数据传输、使能的物联网应用。特别是LoRa组成的物联网系统可以孤网运行，不依赖运营商，可以有效降低系统的使用费用。相信，LoRa技术将得到更广泛的应用。
【参考文献】
【1】雷宇.基于LoRa的学生宿舍智能抄表系统设计
【2】赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现［J］.计算机测量与控制，2016（09）：298-301.
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06
作者简介：王蒙蒙，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。
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