基于LoRa的家用水流量监控系统设计

吴 杰，张朝霞，梁 波

(太原师范学院 计算机系，山西 晋中 030619)

〔文献标识码〕A

0 引言

1999年The Auto-ID Labs研究实验室的Kevin提出了物联网(Internet of Things)[1]的概念，但当时IOT是根据射频识技术(RFID)[2]在商品流通过程中使用的情况提出来的.10年过去了，IOT所涉及的领域已经远远超出了最初所涉及的领域，传输范围也从局域无线网发展到了广域无线网.LPWAN的出现极大地拓展了物联网所使用的范围，这使得“万物互联”有望在不久的将来实现.基于LPWAN网络的智能抄表系统最近好多文章都有涉及，文[3-4]均给出了基于LoRa的智能抄表系统，但这些系统都是应用在商业领域里，对于家用领域几乎没有涉及.本文根据目前基于LoRa的无线抄表系统进行改进，提出了一个适用于家庭的家用水流量监控系统.本系统可以提供用户的用水情况分析图，帮助用户改善用水习惯.还能给用户发出漏水警报，用户可以通过手机终端关闭家中进水阀门，从而减少不必要的损失.

1 LoRa简述

LoRa是低功耗广域物联网LPWAN通信技术中的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，它是由美国Semtech公司采用和推广的.它融合了数字扩频技术、数字信号处理以及前向纠错编码技术，增加了数据传输过程中链路预算以及抗干扰能力，因而它的适用范围是远距离数据传输、抗干扰能力强、低功耗的物联网网络[3].与WiFi蓝牙、ZigBee等技术相比，真正实现了成本低、覆盖区域最大化的物联网.目前，LoRa技术运行在免费频段上，包括433、868、915 MHz等.

LoRa的主要特点如下：(1)功耗低.157dB的连接预算，通讯距离能够达到15 km，但接收电流仅为10 mA，休眠电流200 nA；(2)容量大.在一定的条件之下，发射功率为20 dBm，在建筑密集的环境下可以覆盖2 km左右，在密度较低的建筑环境下可以覆盖10 km；(3)支持通过信号空中传输时间测量距离和进行定位[5]；(4)成本低.其终端建设费用不到NB-IoT的一半.基于以上特点，笔者选用LoRa作为通讯方案.

2 系统拓扑结构

本系统由智能感知终端、网关和云平台三个模块组成.网络其拓扑结构见图1.

图1 系统拓扑结构图

智能终端采用星型结构同网关联接，同网状结构相比它的延迟要低，结构也相对简单.

3 系统设计

本系统主要由硬件部分和软件部分组成.

3.1 硬件设计

本系统的硬件部分主要由智能终端和网关组成.考虑到成本问题，云平台采用租用第三方的方式来实现，这样可减少一部分硬件成本.移动终端采用普通手机即可，不用另外添加设备.

3.1.1 智能终端

智能终端是通过改装智能水表实现的.智能终端主要有计量模块、机电转换模块、无线电通讯模块、实时时钟模块、中心控制模块、开关阀门驱动模块、电源管理模块组成.信息通讯采用LoRa1276芯片.

3.1.2 网关

本系统中的网关和文[3]所提的集中器功能类似.LoRa模块采用1276芯片，数据上传云平台采用3G方式，核心处理器采用STM32系列中的Stm32F103RCT6.它是智能终端和云平台进行数据沟通的桥梁，其电路图见图2.

图2 网关模块电路图

3.2 软件设计

本系统的软件部分主要有智能感知终端软件、网关管理软件、云平台管理系统、移动终端软件.由于硬件的不同我们采用了不同的程序开发语言来进行设计.终端以C语言为主，网关控制采用JavaScript语言并在Node.js开发环境中编写.Node.js采用了非阻塞式I/O的模型，这样对于数据的上报与处理是非常方便的.云平台管理系统采用C#语言开发.移动终端软件使用Java开发，软件设计成微信小程序.

4 系统特点

本系统主要的特点：1)用户可以及时掌握家庭的用水情况，而且通过手机app就可以轻松实现.系统可以用图表的方式来分析用户在一定时间段内的用水情况，可以帮助用户改善用水习惯，达到节约用水的目的.2)系统通过判断水流量的变化，给用户发信息提示家里有可能发生漏水的情况.用户可以及时通过微信小程序将家中进水的阀门关闭，从而减少不必要的损失.

5 结语

家用水流量监控在以前很少有人提这个概念，但我们国家的水资源的日益紧缺，人们环保意识不断增强，这个方面的应用会越来越多.本系统只是初步解决了这个问题，下一步可以考虑和小区的智能抄表系统进行对接，这样就会给人们提供一种更加便利的生活方式.