基於ST STM32L051的LoRaWAN抄水錶解決方案

抄水錶的方案有很多種技術可以實現，目前主要有有線抄表和無線抄表兩大類別。在各種抄表技術中，無線抄表技術是比較容易被接受的，因為不需要現場佈線，安裝方便維護更新簡單。但一些無線技術方案也存在著一些應用上的問題和不足，如FSK距離短、穿透力差、無線信號不穩定，而GPRS雖然網路好但又太耗電。LoRa技術的出現為抄表應用解決了傳輸距離、網路信號和耗電等應用上的問題。本文推薦一個基於LoRaWAN的智慧水務解決方案。

下圖是基於LoRaWAN的水錶/氣表抄表系統應用框圖：

本方案採用了LoRaWAN網路的標準架構，並將傳統的水錶終端改造成了LoRa水錶終端，網路服務器部分還針對抄水錶的資料業務特點進行了相應地優化。

 

▌LoRa智慧水務解決方案網路架構

下圖是本方案的網路系統架構示意圖：

【終端層】 - 方案提供了具有LoRa功能的PCBA，並且對目前的水氣表PCBA的刷膠工藝進行了改進，採用防水盒式設計，方便後期的維護和軟體更新。LoRa天線針對水錶的安裝環境進行了設計和優化，收發性能良好。

【網路層】- 採用了基於LoRaWAN的協議標準，並針對水錶資料業務進行了優化處理。低功耗廣域（LPWA）技術為大規模資料獲取系統的應用提供了很好的技術支撐。針對LoRa網路信號的盲區，還設計了一款低成本的LoRa中繼設備，解決了LoRa網路覆蓋的問題。目前，從試點的效果來看比較理想。

【雲平臺】 - 智慧硬體雲平臺提供集群部署、協定和服務管理等。LoRaWAN的網路服務器（NS）可以私有雲部署，也可以公有雲部署，更方便專案靈活地部署。

【應用層】 - 智慧水務應用平臺負責運維管理、資料視覺化等

 

▌LoRaWAN 水錶產品

下圖是水錶和模組實物圖片：

為解決後期的MCU固件升級更新問題，本方案還設計了一款專用工具和軟體，可通過近距離無線升級方式（OTA），無需拆卸錶殼，節省了維護成本，提高了效率。

主要特性：

•     最低-147dBm的高鏈路靈敏度

•     最大20公里的空空通信距離

•     1.5~2.5公里的城市密集區域通信距離

•     最大20層的跨樓層通信能力

•     最低5uA的超低功耗設計，確保產品6~10年的有效使用週期

•     高精度脈衝數目計數誤差：±1個/年

•     低延遲遠端喚醒功能

•     智慧OTA升級功能

•     先進的防偷盜水功能，遠端自動報警

•     支援外部磁信號強制觸發喚醒功能

•     無縫對接水錶設備雲及自來水廠管理平臺，保證資料安全性

 

▌LoRaWAN 模組

LoRaWAN模組的主晶片採用了Semtech公司的SX1278和ST公司的超低功耗MCU STM32L051C8。模組頻率採用了中國適用頻段470-510MHz，支援LoRaWAN標準協定。

主要特性：

•     內置STM32L051C8處理器

•     支援LoRaWAN™ 1.0協定棧

•     支持LoRaWAN™ Class A、Class C

•     使用TCXO

•     最大鏈路預算可達168dB

•     127dB的RSSI動態範圍

•     9.9mA低接收電流，200nA待機電流

•     支持AES128/SM4等多種安全加密

•     支援FSK、GFSK、LoRa™等調製方式

•     自動射頻信號檢測,CAD模式和超高速AFC

•    多種加密技術（AES128/SM4）保證了網路和資料的安全。

 

▌LoRaWAN 閘道

LoRaWAN閘道符合LoRaWAN協定規範，支援多通道併發，POE供電，帶有GPS功能，回程採用3G/4G/WiFi等多種鏈路。LoRaWAN閘道經過抗干擾優化設計，可滿足各種不同的環境應用。

主要特性：

•     可同時接收同一通道流量

•     易於擴展，增加網路容量

•     可同時解調2MHz的頻寬

•     簡單的星形網路一沒有延遲

•     自我調整鏈路速率

•     同時通訊節點10萬指標

•     發射功率27dBm

•     鏈路靈敏度-157dBm

 

▌LoRaWAN 網路服務器

LoRa網路服務器可進行私有化部署或公有雲部署，公有雲如阿裡雲等。

主要特性：

•     LoRaWAN. MAC

•     GW網管及配置

•     EN配置及OTA

•     與應用伺服器資料交互

•     基於來源資料選擇最佳的下游路徑

•     RTCM高精度定位差分數據廣播( 選購)

•     調度下行流量

•     GWM接入數量：2000台

•     EN接入數量：>100萬

 

▌雲平臺及應用平臺

智慧水錶應用平臺主要功能介紹：

•     抄表管理（設置，社區、水廠管理等）

•     產品生命週期管理（測試、安裝、追溯）

•     運營管理（監控、升級、記錄等）

•     資料視覺化（統計、查詢、圖表、報表）

智慧硬體雲平臺主要功能介紹：

•     採用Dubbo分散式框架支援大容量高併發請求

•     採用Docker容器集群部署節約資源和時間

•     支援OAuth2.0協定認證授權

•     支援多協定通信（HTTP, MQTT, TCP/UDP等)

•     即時請求服務治理和服務監控

 

▌智慧抄表管理平臺、收費平臺&智慧生活App

下圖是抄表系統後臺管理介面截圖和App介面截圖，提供了視覺化的資料管理後臺。

▌產品測試及測試設備

產品的研發和生產離不開測試儀器儀錶，專業完善的儀器儀錶保證了方案設計的品質。

 

▌解決方案部署現場

下圖是方案的部署現場情況，一個LoRaWAN網路基本上覆蓋了6幢樓，經過現場的設計和優化，基本做到了100% 成功抄表。

▌結語

本方案基於標準的LoRaWAN協議而設計，針對抄水錶的資料業務而優化。在實際進行LoRaWAN網路部署的時，難免會存在信號的盲區，為此專門設計了低成本LoRaWAN網路的補盲中繼器，實現了LoRaWAN網路信號的無死角覆蓋。為方便水錶的維護和升級還設計了一款空中升級工具，無需打開錶殼，就可以進行MCU固件的升級操作，方便了現場的維護和軟體更新。

本方案同樣適用於抄氣表等其他的應用。