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劉細(xì)鳳
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(xué)生宿舍智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計方案。LoRa具有低功耗、遠(yuǎn)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(yīng)用等特點。
關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng);LoRa;智能抄表
0引言
學(xué)生宿舍的水電表計量一直是學(xué)校管理的難點之一。由于學(xué)生住宿集中,水電表數(shù)量多,抄表工作量大,給學(xué)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。有效地解決了人工抄表帶來的繁瑣等問題。但是由于技術(shù)不成熟,也帶來一些問題。多數(shù)智能表依賴于有線網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(yīng)用為學(xué)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(shù)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(shù)的無線傳輸通訊方案,該方案解決了超遠(yuǎn)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(yuǎn)距離和超低功耗,能夠提供具有遠(yuǎn)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(yīng)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(dá)數(shù)年,且通訊距離可達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中,LoRa集中器作為中繼,鏈接使用中的終端端設(shè)備和后端服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)的IP6協(xié)議絡(luò)進(jìn)行連接,由于網(wǎng)關(guān)充當(dāng)透明中繼,終端設(shè)備可以和多個網(wǎng)關(guān)通信,所有的節(jié)點可進(jìn)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(chǔ)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(yīng)、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(biāo)準(zhǔn),在水表、電表采集電路方面,可設(shè)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(yuǎn)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(shè)計之初,已經(jīng)預(yù)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(dá)2~3個月斷電情況下,保持?jǐn)?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(xué)生,由于專業(yè)技能較高,存在一定的風(fēng)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(guān)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(yīng)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(shù)采用星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比,具有低延遲的簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?;?span style=";padding: 0px;list-style-type: none;box-sizing: border-box">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(gòu)成星形。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn),應(yīng)用于智能水表、電表遠(yuǎn)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(luò),因此其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為典型的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),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(jìn)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(luò)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(luò)信號并傳輸至基站,基站收到信息后進(jìn)一步通過Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù),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(luò),而且可以孤網(wǎng)運行。由于LoRa傳輸距離遠(yuǎn),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(shè)網(wǎng)絡(luò)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(wù)器負(fù)載量,只需通過簡單設(shè)置,LoRa網(wǎng)關(guān)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(wù)器下發(fā),節(jié)省網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用及產(chǎn)品改造等應(yīng)用領(lǐng)。(2)透傳數(shù)據(jù)工作模式。LoRa模塊可直接與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,減少有線連接的煩惱,只需LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa模塊負(fù)責(zé)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)置數(shù)據(jù)上報時間,通過定時節(jié)點喚醒用戶設(shè)備,進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域。由于宿舍水表、電表的應(yīng)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(shè)定的時間里,服務(wù)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(dāng)智能水表、電表收到喚醒指令后,進(jìn)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(jìn)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(wù)器;如果地址與喚醒指令地址段不符,將數(shù)據(jù)丟棄。服務(wù)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(yīng)用。如果在特定的時間里,服務(wù)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(jìn)行下一組智能水表、電表的喚醒查詢。
5應(yīng)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(xué)院的15個校區(qū),僅宿舍水控表總數(shù)就達(dá)到了4925臺。承接公司在部分校區(qū),使用了LoRa技術(shù)。LoRa 技術(shù)的應(yīng)用,有效地降低了施工技術(shù)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(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù),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(jìn)行供電,設(shè)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)用的基礎(chǔ)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(yīng)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(dāng)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(xué)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(guān)。系統(tǒng)可以向管理發(fā)出報警提醒。有效地解決了因?qū)W生忘關(guān)水龍頭,而造成水浪費或者水浸情況。同樣,在夏季學(xué)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(xué)生宿舍在上課期間仍有較大用電量,可以判斷學(xué)生宿舍空調(diào)、飲水機忘關(guān)。通過觸發(fā)報
警,可以提醒管理員、學(xué)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,可以有效及早發(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(chǔ)上,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以繪制當(dāng)天、當(dāng)月甚至全年的水、電用量峰谷負(fù)荷圖。可以用于學(xué)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(fù)荷,能夠達(dá)到降低線損,有利于供電設(shè)備長期可靠、經(jīng)濟運行的效果。
6安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺
6.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構(gòu),主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù),配合公司的預(yù)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(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng),達(dá)到先交費后用水的目的,剩余水量用完自動關(guān)閥。
6.2 系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費電能表組成,通過通信網(wǎng)絡(luò)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(wù)操作分散,在線支付,總部財務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。
遠(yuǎn)程集中抄表:抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺,快速便捷,免去人工抄表 。
水表預(yù)付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息,并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價控閥等操作。
遠(yuǎn)程售電:財務(wù)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(yù)付費表或管控表每天的用能狀況;可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表,包含用戶表的能耗、財務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財務(wù)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(guān)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(yuǎn)程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作,方便管理。
6.3 產(chǎn)品選型
7結(jié)束語
隨著技工院校學(xué)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(shù)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(yuǎn)距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸、使能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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,可以有效降低系統(tǒng)的使用費用。相信,LoRa技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。
【參考文獻(xiàn)】
【1】雷宇.基于LoRa的學(xué)生宿舍智能抄表系統(tǒng)設(shè)計
【2】趙太飛,陳倫斌,袁麓,等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)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(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06
作者簡介:劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事宿舍用電研究發(fā)展。