CN206832310U - 一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，LoRa无线水表包括微处理器单元、LoRa模组、巨磁阻传感器、NFC模块、接口单元、供电单元、报警模块、时钟模块、显示单元；所述NFC模块内置于所述LoRa模组中，用于通过NFC近场通信技术进行参数读取与配置；所述LoRa模组以LoRaWAN Class B方式与LoRa远传网关连接，按所述LoRa远传网关分配给自己的时隙将相关采集到的信息传输到所述LoRa远传网关。本实用新型可通过云端平台发起点抄、阀控等反向操作动作，实用性强。

Description

一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表

技术领域

本实用新型涉及无线抄表等技术领域，特别是一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表。

背景技术

传统的无线水表通常采用高斯频移键控GFSK方式，把输入信号经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制的数字调制方式。这类GFSK无线模块的接收端为了可靠地解调无线信号，一般需要8dB的最小信噪比（SNR），这就导致可靠的通信距离有限，且抗干扰能力差。相对于LoRa技术方式，SNR会差距33dB，因为LoRa的SNR为-25dB。在空旷地带，传统FSK方式的通信距离一般小于800米，而LoRa理论上可达15公里，在城区也可达2公里。同时传统FSK方式相比较LoRa技术方式，功耗更高，采用电池供电时，寿命相对就更短。而且传统的无线抄表***一般为三级组网结构，安装维护复杂。

传统的无线水表也有采用类似ZigBee等短距离组网的无线技术，此类产品由于通信距离近，需要设备更多的ZigBee路由器，用于通信中继，无形中增加了硬件开支和运维成本。

而同样采用LoRa技术的无线水表及抄表***，一般使用信道活动检测器(CAD)来检测其他LoRa信号，通过周期性的休眠和空中唤醒来实现抄表功能。但由于LoRa无线传输距离远，布点相对规模大，采用CAD唤醒模式，会导致经常性的误唤醒，无线接收机从信道获取数据的LoRa前导码符号，在此期间要消耗Rx模式的电流。这样会造成不断处于唤醒、进入休眠待机、再次被唤醒的状态，实际功耗与理论功耗不符，减少了电池的续航时间。同时，此类的抄表***通常采用树状拓扑结构，延续了早期有线抄表的思维惯性，无线信号互相干扰现象严重。

也有部分采用LoRa技术的无线水表及抄表***，建立Mesh（网状拓扑结构）自组网方式，类似ZigBee的Mesh自组网中的路由节点，每个设备都可以相互无线连接，可以选择最优通信路径，但是正因为每个设备都能成为别人的中继点，经常性唤醒和干扰不可避免，功耗大大增加，无线水表终端需要更大的电池容量或者采用太阳能供电等其他方式。

而传统的大口径水表抄表终端，更多采用GPRS通信方式，直接将采集信号传输至平台，不但通讯连接也不稳定，功耗也大，这种组合的技术方式基本处于即将淘汰的状态。

实用新型内容

本实用新型针对上述技术问题做出改进，即本实用新型所要解决的技术问题是提供一种低功耗、可按时间间隙共享通信信道且不易误唤醒的、电池续航时间更长的LoRa无线水表。

为了解决上述技术问题，本实用新型的一种技术方案是：一种采用LoRaWAN ClassB模式的无线水表，通过扩频通信技术将采集到的用水信息，传输至LoRa远传网关，包括微处理器单元，及与所述微处理器单元连接的LoRa模组、巨磁阻传感器、NFC模块、接口单元、供电单元、报警模块、时钟模块、显示单元。

进一步地，所述供电单元分别为所述微处理器单元、所述LoRa模组、所述巨磁阻传感器、所述NFC模块、所述接口单元、所述报警模块、所述时钟模块、所述显示单元供电。

进一步地，所述NFC模块内置于所述LoRa模组中，用于通过NFC近场通信技术进行参数读取与配置。

进一步地，所述LoRa模组以LoRaWAN Class B方式与LoRa远传网关连接，按所述LoRa远传网关分配给自己的时隙将相关采集到的信息传输到所述LoRa远传网关。

进一步地，所述巨磁阻传感器采用一种小尺寸封装的低功耗且输出方波信号的TMR传感器，通过检测旋转磁场进行水表用水计量，同时根据旋转角度，判断水流的正反方向。

进一步地，所述接口单元包括有电机驱动接口、以太网接口、USB接口；所述电机驱动接口通过直流电机驱动，可外接阀控模块，用于通过云端平台发起点抄、阀控等反向操作动作。

进一步地，所述NFC模块与NFC线圈连接，通过带有NFC功能的手机唤醒所述无线水表，结合使用配置参数专用APP，进行所述无线水表的功能配置、数据读取以及程序升级。

进一步地，所述时钟模块通过LoRa远传网关上的基准时间进行时间校准和同步，减少通讯信息的同步时差。

进一步地，所述供电单元包括有电池、LDO及滤波整流电路、电池电量检测电路及温度检测电路；所述温度检测电路紧贴于所述电池，用于检测所述电池及水表壳体内环境温度。

进一步地，所述电池经过所述LDO及滤波整流电路后提供稳定的电压为所述无线水表供电，并通过所述电池电量检测电路检测所述电池的当前电压，并向所述微处理器单元反馈。

进一步地，所述微处理器单元是一种低功耗的微处理器(Central ProcessingUnit，CPU)。

进一步地，所述低功耗的微处理器是基于32位ARM内核的高性能、低功耗微处理器。

与现有的技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）采用TDMALoRaWAN Class B方式，按时间间隙共享通信信道，无线终端不易误唤醒，减少了很多不必要的功耗开支；

（2）功耗低，用电池供电可长达9年以上，减少更换电池的维护成本；

（3）内置NFC近场通信技术，直接通过手机非接触靠近唤醒LoRa无线水表终端，进行功能配置、数据读取以及程序升级，减少硬件对接的麻烦，非常方便；

（4）通讯距离远，不需要布设密集的LoRa远传网关，减少硬件开支和运维成本；

（5）采用巨磁阻传感器，可识别水流方向，同时可通过云端平台发起点抄、阀控等反向操作动作，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构框图。

图2为本实用新型实施例的***架构图。

图1中：1-微处理器单元、2-LoRa模组、3-巨磁阻传感器、4- NFC模块、5-接口单元、6-供电单元、7-报警模块、8-时钟模块、9-显示单元、401- NFC线圈、501- 电机驱动接口、502-以太网接口、503- USB接口。

具体实施方式

下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他形式的附图。

LoRaWAN Class B模式的名词解释：LoRaWAN终端设备划分成Class A、Class B、Class C三类，Class A是双向通信终端设备，Class C具有最大接收槽的双向通信终端设备，Class B是指具有预设接收槽的双向通信终端设备。Class B终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收一个Beacon，通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。

如图1所示，一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，通过扩频通信技术将采集到的用水信息，传输至LoRa远传网关，包括微处理器单元1，及与所述微处理器单元1连接的LoRa模组2、巨磁阻传感器3、NFC模块4、接口单元5、供电单元6、报警模块7、时钟模块8、显示单元9。

在本实施例中，所述供电单元6分别为所述微处理器单元1、所述LoRa模组2、所述巨磁阻传感器3、所述NFC模块4、所述接口单元5、所述报警模块7、所述时钟模块8、所述显示单元9供电。

在本实施例中，所述NFC模块4内置于所述LoRa模组2中，用于通过NFC近场通信技术进行参数读取与配置。

在本实施例中，所述LoRa模组2以LoRaWAN Class B方式与LoRa远传网关连接，按所述LoRa远传网关分配给自己的时隙将相关采集到的信息传输到所述LoRa远传网关。

在本实施例中，所述显示单元9包括有LCD液晶屏，用于显示当前的水表监测信息。

在本实施例中，所述报警模块7用于异常报警，同时异常情况发生时，同步上报云端平台。

在本实施例中，所述巨磁阻传感器3采用一种小尺寸封装的低功耗且输出方波信号的TMR传感器，通过检测旋转磁场进行水表用水计量，同时根据旋转角度，判断水流的正反方向。

在本实施例中，所述巨磁阻传感器3是通过直接测量水表叶轮的转速，得到水表的瞬时流量，从而实时监控水表的用水情况。

在本实施例中，采用两个及以上的所述巨磁阻传感器3，根据所述巨磁阻传感器3的不同状态信号，获取叶轮的旋转速度与方向。

在本实施例中，所述接口单元5包括有电机驱动接口501、以太网接口502、USB接口503；所述电机驱动接口501通过直流电机驱动，可外接阀控模块，用于通过云端平台发起点抄、阀控等反向操作动作。

在本实施例中，所述以太网接口502用于直接通过以太网连接的方式连上互联网，所述USB接口503用于连接USB设备；所述太网接口502及所述USB接口503非所述无线水表必备的组成单元之一。

在本实施例中，所述NFC模块4与NFC线圈401连接，通过带有NFC功能的手机唤醒所述无线水表，结合使用配置参数专用APP，进行所述无线水表的功能配置、数据读取以及程序升级。

在本实施例中，所述NFC线圈401还可以替换成NFC天线；

在本实施例中，所述时钟模块8通过LoRa远传网关上的基准时间进行时间校准和同步，减少通讯信息的同步时差。

在本实施例中，所述供电单元6包括有电池、LDO及滤波整流电路、电池电量检测电路及温度检测电路；所述温度检测电路紧贴于所述电池，用于检测所述电池及水表壳体内环境温度。

在本实施例中，所述电池经过所述LDO及滤波整流电路后提供稳定的电压为所述无线水表供电，并通过所述电池电量检测电路检测所述电池的当前电压，并向所述微处理器单元1反馈。

在本实施例中，所述微处理器单元1是一种低功耗的微处理器(CentralProcessing Unit，CPU)。

在本实施例中，所述低功耗的微处理器是基于32位ARM内核的高性能、低功耗微处理器。

为了更清楚表达所述无线水表的实施应用方案，如图2所示，是一种采用LoRaWANClass B的无线抄表***，包括若干个所述无线水表、若干个LoRa远传网关、云端平台、后台管理中心、远程查询监测中心、手机APP应用；

所述云端平台上配置有数据监管服务器，并安装有BS架构的***管理软件。

在本实施例中，所述BS架构的***管理软件用于实现用户档案管理、表计信息管理、用水量报表管理、数据报表生成与导出、参数配置等功能应用。

在本实施例中，所述无线水表与所述LoRa远传网关自动无线连接，同时各自保存通讯最优路径，所述无线水表可以在多个所述LoRa远传网关中注册，实现一个网络***拥有多个网关，所述LoRa远传网关布置越多，通讯越可靠稳定。

在本实施例中，多个所述无线水表采集水表信息，以LoRaWAN协议方式无线上传至所述LoRa远传网关，进行数据集中汇总，再由所述LoRa远传网关通过GPRS/3G/4G方式连接所述云端平台，并集中上传相关采集信息，实现无线抄表功能。

在本实施例中，所述后台管理中心、所述远程查询监测中心及所述手机APP应用用于查询管理水表监测数据。

在本实施例中，所述无线抄表***采用双向通信方式，且下行与上行的信道比在1:12~1:18之间。

在本实施例中，作为可选的一种实施方式，所述LoRa模组2可以替换为NB-IoT模组，或者是包括有NB-IoT的多模通讯模组，所述多模通讯模组是基于蜂窝网络及LTE协议的集合了多种通讯方式的通讯模组，包括有NB-IoT、eMTC和EGPRS的多模通讯方式；所述多模通讯模组内置有物联网专用号段的eSIM卡。

在本实施例中，本实用新型采用TDMALoRaWAN Class B方式，按时间间隙共享通信信道，无线终端不易误唤醒，减少了很多不必要的功耗开支；采用低功耗技术，用电池供电可长达9年以上，减少更换电池的维护成本；同时内置NFC近场通信技术，直接通过手机非接触靠近唤醒LoRa无线水表终端，进行功能配置、数据读取以及程序升级，减少硬件对接的麻烦，非常方便；通讯距离远，不需要布设密集的LoRa远传网关，减少硬件开支和运维成本；采用巨磁阻传感器，可识别水流方向，同时可通过云端平台发起点抄、阀控等反向操作动作，实用性强。

本实用新型从一线实际需求出发，思路新颖，技术实现方便，市场前景广阔。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，任何人在本实用新型的启示下都可以得出其他各种形式的采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，通过扩频通信技术将采集到的用水信息，传输至LoRa远传网关，其特征在于，包括微处理器单元（1），及与所述微处理器单元（1）连接的LoRa模组（2）、巨磁阻传感器（3）、NFC模块（4）、接口单元（5）、供电单元（6）、报警模块（7）、时钟模块（8）、显示单元（9）；

所述供电单元（6）分别为所述微处理器单元（1）、所述LoRa模组（2）、所述巨磁阻传感器（3）、所述NFC模块（4）、所述接口单元（5）、所述报警模块（7）、所述时钟模块（8）、所述显示单元（9）供电；

所述NFC模块（4）内置于所述LoRa模组（2）中，用于通过NFC近场通信技术进行参数读取与配置；

所述LoRa模组（2）以LoRaWAN Class B方式与LoRa远传网关连接，按所述LoRa远传网关分配给自己的时隙将相关采集到的信息传输到所述LoRa远传网关。

2.根据权利要求1所述的一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，其特征在于，所述巨磁阻传感器（3）采用一种小尺寸封装的低功耗且输出方波信号的TMR传感器。

3.根据权利要求1所述的一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，其特征在于，所述接口单元（5）包括有电机驱动接口（501）、以太网接口（502）、USB接口（503）；所述电机驱动接口（501）通过直流电机驱动。

4.根据权利要求1所述的一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，其特征在于，所述NFC模块（4）与NFC线圈（401）连接。

5.根据权利要求1所述的一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，其特征在于，所述供电单元（6）包括有电池、LDO及滤波整流电路、电池电量检测电路及温度检测电路；所述温度检测电路紧贴于所述电池，用于检测所述电池及水表壳体内环境温度。

6.根据权利要求1所述的一种采用LoRaWAN Class B模式的无线水表，其特征在于，所述微处理器单元（1）是一种低功耗的微处理器。