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      基于LoRa的高校學生宿舍智能預付費系統設計與應用

      發布時間: 2021-10-20  點擊次數: 339次

      劉細鳳

      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協議實現技工院校學生宿舍智能抄表系統的設計方案。LoRa具有低功耗、遠距離、低延時的特點。抄表系統操作簡單,具有無擾安裝、靈活配置、實時監控、擴展應用等特點。

      關鍵詞: 物聯網;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,實現了智能計費、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。但是由于技術不成熟,也帶來一些問題。多數智能表依賴于有線網絡和電源。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議,但是由于系統不穩定,易受干擾,故障率高,系統運維成本很高,甚至導致一些矛盾出現,給后勤工作帶來了困難。低功耗物聯網接入模塊LORA的應用為學生宿舍智能

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

       

      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據傳輸的難題,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,數據吞吐量不大,而對于終端的持續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據通信使用。LoRa通訊方案由使用LoRa芯片的數據采集終端——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。網關與服務器通過標準的IP6協議絡進行連接,由于網關充當透明中繼,終端設備可以和多個網關通信,所有的節點可進行雙向通信。

       

      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。各個功能的實現都是依據行業內多年形成的標準,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。在市場也已經有很成熟的產品,可以方便定制、選購。LoRa 模塊具有遠距離低功耗的特點,可以方便地在傳統電表、水表上改裝,在設計之初,已經預計使用普通鋰電池即可實現長時間的運行。由于智能電表、水表需要增加執行元件,會出現額外的功耗,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,通過整流穩壓后可以獲得電池系統的穩定電源供給。因此在電子電表上增加LoRa模塊和電池模塊能夠實現穩定的數據采集和傳輸。由于LoRa的低功耗特性,可以保持在寒暑假期間,長達23個月斷電情況下,保持數據刷新和控制使能。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,由于專業技能較高,存在一定的風險。因此,采用了水力管道發電裝置作為 LoRa 模塊和電池模塊供電,并將裝置整合到水表中去。實現了獨立模塊,無損安裝,可適用于各種環境和老舊宿舍樓的改造,經過測試,實現了持續運行。水力管道發電裝置利用嵌入水管的永磁體渦輪作為轉子,PVC管道外布置線圈。利用開關水流驅動永磁轉子轉動,在PVC管道外的線圈中產生感應電流,經過整流穩壓后,供給電池充電系統,可實現智能水表系統的持續供電。

      系統組成

      LoRa 技術采用星形網絡架構,與網狀網絡架構相比,具有低延遲的簡單的網絡結構?;?span style=";padding: 0px;list-style-type: none;box-sizing: border-box">LoRa的擴頻芯片,可以實現水表、電表與集中器直接組網連接,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就可以建立LoRa微功率網絡,因此其通信網絡結構為典型的星形網絡結構,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,統計宿舍、位置和智能電表、水表的硬件地址。在工作站系統上進行硬件匹配,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,將表端的數字信號調制為LoRa信號并發送至集中器,集中器上裝有LoRa模塊和有線網絡模塊,利用LoRa模塊將接收到的LoRa信號解調處理,轉換為有線網絡信號并傳輸至基站,基站收到信息后進一步通過Internet 網絡傳輸至中央數據中心,也可不上傳。理論上LoRa集中器可以連接62500個節點,所以采用單一LoRa集中器即可組成智能抄表網絡,而且可以孤網運行。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,具有架設網絡容易、成本低廉的特點。

      4.工作模式

      系統的工作方式主要有自動輪詢、節點主動上報、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網關可以自助下發數據。例如通過Modbus指令輪詢節點,無需服務器下發,節省網絡數據流量。適合智能表計及閘控、糧倉溫濕度監控、Modbus 輪詢應用及產品改造等應用領。(2)透傳數據工作模式。LoRa模塊可直接與服務器進行數據傳輸,減少有線連接的煩惱,只需LoRa網關和LoRa模塊負責透傳功能即可完成數據傳輸。適合不需要考慮功耗的控制類應用領域,比如智慧城市、智慧農業等。(3)定時主動上報。定時上報就是為每個LoRa節點設置數據上報時間,通過定時節點喚醒用戶設備,進行數據上傳;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、電表的應用數據量不大,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。多數時間里,智能水表、電表處于休眠狀態,并不上報數據。在設定的時間里,服務器通過LoRa集中器廣播模式發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,繼續休眠。如果地址相

      符,則喚醒,向LoRa集中器發送包含水表地址信息、數據信息、時間信息的數據。智能水表、電表在發送完數據后,繼續進入休眠狀態。集中器收到LoRa智能水表、電表發送的數據后,核對智能終端地址。如果相符,將智能終端數據轉發到服務器;如果地址與喚醒指令地址段不符,將數據丟棄。服務器收到LoRa集中器發還的數據后,將數據放入數據庫,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、電表反饋數據,將繼續喚醒查詢。如果查詢多次,沒有收到終端的上報數據,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,僅宿舍水控表總數就達到了4925臺。承接公司在部分校區,使用了LoRa技術。LoRa 技術的應用,有效地降低了施工技術難度,縮短了施工時間,提高了系統的穩定性。由于可以不依賴

      Internet,系統運行成本低、經濟好。也可通過網絡發送到數據中心,建立全市技工院校后勤管理大數據庫,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,可以實現終端免維護,整個系統可靠性高。在實際應用中,經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,上報數據。同時由于LoRa協議的優勢,系統具有抄表準確、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,可以實現部分控制使能。在解決實際應用的基礎上,由于LoRa協議的實時性,根據采集的水電表數據也拓展了抄表系統的應用。跑冒滴漏一直是管道系統的老問題,由于LoRa協議的實時性,當擁有了全樓可計量水表的實時數據時,也有了新的解決辦法。如系統在學生上課時間喚醒查詢宿舍水表,通過數據發現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。系統可以向管理發出報警提醒。有效地解決了因學生忘關水龍頭,而造成水浪費或者水浸情況。同樣,在夏季學生上課期間,定時連續多次喚醒查詢宿舍電表,如果發現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、飲水機忘關。通過觸發報

       

      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據的實時分析來判斷。利用系統在凌晨2-4點定時上報數據的分析,可以得到主管道水表、分支管道水表的小流量數據。通過對比差值,可以判斷出水管系統的泄漏部分,可以有效及早發現管道損壞現象。同樣,在大量水、電計量數據的基礎上,對數據進行分析,可以繪制當天、當月甚至全年的水、電用量峰谷負荷圖??梢杂糜趯W校限水、電容量資源的合理調配。特別是能夠根據區域用量,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、經濟運行的效果。

      6安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

      6.1 系統方案

       

      系統為B/S架構,主要包括前端管理網站和后臺集抄服務,配合公司的預付費電表DDSY1352DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列,實現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,達到先交費后用水的目的,剩余水量用完自動關閥。

      6.2 系統功能

       

      AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成,通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
         
      本系統適用于一些大集團和大物業,往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理,面臨著數據公網傳輸,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:可是查看某區域水表的實時狀態信息,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,并比對充值次數,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、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

      在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現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勢的智能無線抄表將是未來發展的趨勢,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,低功耗,遠距離、低速率的數據傳輸、使能的物聯網應用。特別是LoRa組成的物聯網系統可以孤網運行,不依賴運營商,可以有效降低系統的使用費用。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設計

      2】趙太飛,陳倫斌,袁麓,等.基于LoRa的智能抄表系統設計與實現[J.計算機測量與控制,201609):298-301.

      3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06

       

       

      作者簡介:劉細鳳,女,現任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事宿舍安全用電研究發展。


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