▌方案概述
抄水表的方案有很多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，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(shù)中，無線抄表技術(shù)是比較容易被接受的，因?yàn)椴恍枰F(xiàn)場(chǎng)布線，安裝方便維護(hù)更新簡(jiǎn)單。但一些無線技術(shù)方案也存在著一些應(yīng)用上的問題和不足，如FSK距離短、穿透力差、無線信號(hào)不穩(wěn)定，而GPRS雖然網(wǎng)絡(luò)好但又太耗電。LoRa技術(shù)的出現(xiàn)為抄表應(yīng)用解決了傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和耗電等應(yīng)用上的問題。本文推薦一個(gè)基于LoRaWAN的智慧水務(wù)解決方案。
下圖是基于LoRaWAN的水表/氣表抄表系統(tǒng)應(yīng)用框圖：
本方案采用了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)傳送，傳統(tǒng)的水表終端設(shè)計(jì)成了LoRaWAN終端，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器針對(duì)抄水表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)報(bào)表的優(yōu)化。
▌LoRa智慧水務(wù)解決方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
下圖是本方案的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖：
終端層 - 專為水氣表應(yīng)用設(shè)計(jì)了具有LoRaWAN功能的PCBA，并且對(duì)目前的水氣表PCBA的刷膠工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用防水盒式的設(shè)計(jì)，方便后期水氣表控制系統(tǒng)的維護(hù)和更換更新。針對(duì)水表的安裝環(huán)境進(jìn)行了LoRaWAN天線設(shè)計(jì)和優(yōu)化，做成了PCB天線，經(jīng)過專業(yè)的匹配和實(shí)地測(cè)試，收發(fā)性能良好。
網(wǎng)絡(luò)層 - 采用了基于LoRaWAN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并針對(duì)水表數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化處理。低功耗廣域（LPWA）技術(shù)為大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用提供了很好的技術(shù)支撐。針對(duì)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的盲區(qū)，還設(shè)計(jì)了一款低成本的LoRaWAN中繼設(shè)備，解決了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題。解決了LoRaWAN實(shí)際部署中信號(hào)盲點(diǎn)的問題。目前，從試點(diǎn)的效果來看比較理想。
云平臺(tái) - 智能硬件云平臺(tái)提供集群部署、協(xié)議和服務(wù)管理等。LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（NS）可以私有云部署，也可以公有云部署，更方便項(xiàng)目靈活地部署。
應(yīng)用層 - 智能水務(wù)應(yīng)用平臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)可視化等工作任務(wù)
▌LoRaWAN 水表產(chǎn)品
下圖是水表和模塊實(shí)物圖片：
為解決后期的MCU固件升級(jí)更新問題，本方案還設(shè)計(jì)了一款專用工具和軟件，可通過近距離無線升級(jí)方式（OTA），無需拆卸表殼，節(jié)省了維護(hù)成本，提高了效率。
主要特性：
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最低-147dBm的高鏈路靈敏度
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最大20公里的空空通信距離
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1.5~2.5公里的城市密集區(qū)域通信距離
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最大20層的跨樓層通信能力
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最低5uA的超低功耗設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品6~10年的有效使用周期
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高精度脈沖數(shù)目計(jì)數(shù)誤差：±1個(gè)/年
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低延遲遠(yuǎn)程喚醒功能
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智能OTA升級(jí)功能
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先進(jìn)的防偷盜水功能，遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警
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支持外部磁信號(hào)強(qiáng)制觸發(fā)喚醒功能
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無縫對(duì)接水表設(shè)備云及自來水廠管理平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)安全性
▌LoRaWAN 模組
LoRaWAN模組的主芯片采用了Semtech公司的SX1278和ST公司的超低功耗MCU STM32L051C8。模組頻率采用了中國(guó)適用頻段470-510MHz，支持LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
主要特性：
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內(nèi)置STM32L051C8處理器
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支持LoRaWAN™ 1.0協(xié)議棧
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支持LoRaWAN™ Class A、Class C
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使用TCXO
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最大鏈路預(yù)算可達(dá)168dB
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127dB的RSSI動(dòng)態(tài)范圍
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9.9mA低接收電流，200nA待機(jī)電流
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支持AES128/SM4等多種安全加密
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支持FSK、GFSK、LoRa™等調(diào)制方式
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自動(dòng)射頻信號(hào)檢測(cè),CAD模式和超高速AFC
多種加密技術(shù)（AES128/SM4）保證了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全。
▌LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)
LoRaWAN網(wǎng)關(guān)符合LoRaWAN協(xié)議規(guī)范，支持多信道并發(fā)，POE供電，帶有GPS功能，回程采用3G/4G/WiFi等多種鏈路。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)經(jīng)過抗干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)，可滿足各種不同的環(huán)境應(yīng)用。
主要特性：
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可同時(shí)接收同一信道流量
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易于擴(kuò)展，增加網(wǎng)絡(luò)容量
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可同時(shí)解調(diào)2MHz的帶寬
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簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)一沒有延遲
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自適應(yīng)鏈路速率
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同時(shí)通訊節(jié)點(diǎn)10萬指標(biāo)
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發(fā)射功率27dBm
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鏈路靈敏度-157dBm
▌LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器
LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可進(jìn)行私有化部署或公有云部署，公有云如阿里云等。
主要特性：
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LoRaWAN. MAC
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GW網(wǎng)管及配置
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EN配置及OTA
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與應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)交互
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基于源數(shù)據(jù)選擇最佳的下游路徑
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RTCM高精度定位差分?jǐn)?shù)據(jù)廣播( 選購)
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調(diào)度下行流量
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GWM接入數(shù)量：2000臺(tái)
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EN接入數(shù)量：>100萬
▌云平臺(tái)及應(yīng)用平臺(tái)
智能水表應(yīng)用平臺(tái)主要功能介紹：
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抄表管理（設(shè)置，小區(qū)、水廠管理等）
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產(chǎn)品生命周期管理（測(cè)試、安裝、追溯）
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運(yùn)營(yíng)管理（監(jiān)控、升級(jí)、記錄等）
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數(shù)據(jù)可視化（統(tǒng)計(jì)、查詢、圖表、報(bào)表）
智能硬件云平臺(tái)主要功能介紹：
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采用Dubbo分布式框架支持大容量高并發(fā)請(qǐng)求
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采用Docker容器集群部署節(jié)約資源和時(shí)間
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支持OAuth2.0協(xié)議認(rèn)證授權(quán)
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支持多協(xié)議通信（HTTP, MQTT, TCP/UDP等)
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實(shí)時(shí)請(qǐng)求服務(wù)治理和服務(wù)監(jiān)控
▌智能抄表管理平臺(tái)、收費(fèi)平臺(tái)&智慧生活A(yù)pp
下圖是抄表系統(tǒng)后臺(tái)管理界面截圖和App界面截圖，提供了可視化的數(shù)據(jù)管理后臺(tái)。
▌產(chǎn)品測(cè)試及測(cè)試設(shè)備
產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)離不開測(cè)試儀器儀表，專業(yè)完善的儀器儀表保證了方案設(shè)計(jì)的品質(zhì)。
▌解決方案部署現(xiàn)場(chǎng)
下圖是方案的部署現(xiàn)場(chǎng)情況，一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)基本上覆蓋了6幢樓，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，基本做到了100% 成功抄表。
▌結(jié)語
本方案基于標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN協(xié)議而設(shè)計(jì)，針對(duì)抄水表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而優(yōu)化。在實(shí)際進(jìn)行LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)部署的時(shí)，難免會(huì)存在信號(hào)的盲區(qū)，為此專門設(shè)計(jì)了低成本LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)盲中繼器，實(shí)現(xiàn)了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的無死角覆蓋。為方便水表的維護(hù)和升級(jí)還設(shè)計(jì)了一款空中升級(jí)工具，無需打開表殼，就可以進(jìn)行MCU固件的升級(jí)操作，方便了現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)和軟件更新。
