一种基于LoRa技术的超低功耗遥测水位采集系统的制作方法

本实用新型属于无线通信数据采集设备技术领域，具体涉及一种应用在水位采集中的低功耗扩频通信设备。

背景技术：

随着物联网和无线通信技术的飞速发展，人们与信息网络已经密不可分，无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求。短距离无线通信的低成本、相对其它无线通信技术的低功耗、及其对等通信特征等适应了飞速发展的便捷信息传输的需求。在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，低功耗长距离无线通信技术成为了当今通信领域研究的热点。

目前市面上的水位采集终端主要是基于RTU技术，通过GPRS、3G、4G网络传输采集到的数据，每个采集终端造价高，而且在运营中需要支付给通信公司高额的流量使用费。通信数据受运营商接口的限制。只能遵循运营公司的标准来做传输受到很大的局限。数据传输延时比较大，由于RTU服务器的限制每条数据传输需要有一定的时间间隔，达不到实时性数据传输的要求。

每个终端需要配置大功率的太阳能供电系统，维护成本很高，使用寿命低，每隔2年就需要更换蓄电池。

高成本的水位采集终端导致每个地区的水位采集器部署非常有限，稀疏的水位采集数据不足已给防汛抗旱提供准确有效数据分析能力，给国家防汛抗旱工作造成很大的困难。近期大部分地区暴雨灾害非常频繁，迫切需要部署一套有效的低成本遥测终端。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的成本高、可靠性差的技术问题，本实用新型提供了一种基于无线扩频技术的水位采集系统，成本低，能耗小，可靠性高，使用寿命长，能够适应目前水利中对水位采集系统的需求。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种基于LoRa技术的超低功耗遥测水位采集系统，包括路由器和终端节点，路由器内设有LoRa网关，LoRa网关与终端节点之间进行无线连接，路由器与内部存储器的信号输入端连接，内部存储器的信号输出端与本地存储器连接，路由器通过传输设备与互联网模块的信号输入端相连，互联网模块的信号输出端分别与云存储器、云平台服务器相连。

本系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集，终端节点通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa节点，只需要一条互联网接入通道，很大程度的节约了终端采集器的成本。

终端节点内设有多个LoRa节点，LoRa节点包括主控器，主控器的信号输入端与超声波液位传感器相连，主控器与超声波液位传感器之间装有电流环，主控器的信号输出端与LoRa射频模块的信号输入端相连，LoRa射频模块的信号输出端通过无线信号与路由器相连。LoRa网关和LoRa节点采用Lora扩频通信技术，该技术具有低功耗，远距离传输特点。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为以太网。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为wifi。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为2G/3G/4G。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为卫星。

LoRa网关内设有嵌入式微型电脑和8通道LoRa射频接收器，采用LoRa WAN 协议更好地实现了多节点通信，LoRa网关集成了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收的稳定性。无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

其中，作为优选的供电方式，终端节点通过磷酸铁电池供电。

终端节点内设有节能模块，节能模块内置超强休眠机制，睡眠电流可低至100 uA级，1节电池3000 mAh磷酸铁电池可供LoRa节点使用5-10年。

LoRa射频模块通过169MHz-1024MHz（可定制）射频天线与路由器进行通讯。

其中，作为优选的通信方式，LoRa射频模块通过470MHz射频天线与路由器进行通讯。

本系统的有益效果体现在：

一、长距离低功耗是本系统的特点，体现在实际应用中是成本大范围的降低，使得水位采集的密度提高，有效地为防洪抗旱提供第一手数据资料，对抗旱防汛决策起了至关重要的作用。

二、此系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集。终端节点通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa节点，只需要一条互联网接入通道，很大程度地节约了终端采集器的成本。以一个RTU终端通信服务费每年120元计算，5000个LoRa节点每年产生的流量月租费用达5000*120=60万元，而采用此系统运营费用仅需一条普通4m ADSL线路或光纤接入的费用，此费用大约在每年600-2000元，随着国家对宽带运营提速降费的部署，此项费用还在降低。

三、LoRa网关和终端节点采用扩频无线通信技术，最远可达3-10公里的通信距离，终端节点和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时LoRa节点可以在不同的LoRa网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高系统通信实时性要求。

四、终端节点采用低功耗设计，采用单节18650磷酸铁电池供电，一节2300MA电池可以使用5-10年，与传统太阳能系统供电采集终端相比，成本更低，比现有的无线通信技术功耗降低了数倍。

附图说明

图1为本实用新型的信号传输原理图。

图2为嵌入式网关的信号传输原理图。

图3为LoRa节点原理图。

图中，1为路由器,2为终端节点，3为LORA网关，4为内部存储器，5为本地存储器，6为互联网模块，7为云存储器，8为云平台服务器，9为以太网模块，10为wifi模块，11为移动通讯模块，21为LORA节点，22为主控器，23为超声波液位传感器，24为LORA射频模块，25为射频天线，31为嵌入式微型电脑，32为8通道LORA射频接收器。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种基于LoRa技术的超低功耗遥测水位采集系统，包括路由器1和终端节点2，路由器1内设有LORA网关3，LORA网关3与终端节点2之间进行无线连接，路由器1与内部存储器4的信号输入端连接，内部存储器4的信号输出端与本地存储器5连接，路由器1通过传输设备与互联网模块6的信号输入端相连，互联网模块6的信号输出端分别与云存储器7、云平台服务器8相连。

本系统利用LoRa扩频通信技术，传感器节点到LORA网关3的传输距离最大可达20km，单个LORA网关3可以连接5000个传感器节点，每个LORA网关3之间可以通过网状网（MESH）技术，进行多跳（可达32跳）、高带宽（1600Mbps）、远距离（50km）的双向通信。

系统从互联网接入，自动链接到物联网云平台，平台进行数据存储、数据分析、数据可视化等用户要求的功能。用户可以在有互联网接入的任何地方，经过严格的安全认证进行相应功能的浏览操作。

如图3所示，终端节点2内设有多个LORA节点21，LORA节点21包括主控器22，主控器22的信号输入端与超声波液位传感器23相连，主控器22与超声波液位传感器23之间装有TTL、脉冲或4-20mA等输入信号，主控器22的信号输出端与LORA射频模块24的信号输入端相连，LORA射频模块24的信号输出端通过无线信号与路由器1相连。LORA网关3和LORA节点21采用Lora扩频通信技术，该技术具有低功耗，远距离传输特点。

终端节点2设计了传感器输入信号采集模块，用于采集超声波水位传感器电流信号。该LORA节点21设计满足大部分传感器接口的要求做到了通用性，升级更换传感器或应用方式改变时无需更换终端节点2。

水位采集装置是由超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波遇到被测物位（物料）表面被反射折回，反射回波被换能器接收转换成电信号，电信号再通过高精度AD转换器转换成数字信号，通过LoRaWan传送到LORA网关3，每个终端节点2有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别水位传感器的安装位置。

LORA节点21内有数字滤波器，对采集的数据做分析，去掉杂波有干扰的数据，保证数据的准确性。

LORA节点21内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可以对LORA节点21运行参数做日志记录。

云端服务器是数据汇总的中心数据库，该系统实现数据存储、终端节点2设备管理、远程设备维护升级、大数据分析、根据历史数据智能校准数据、自建私有云系统、保障数据私密性、数据可视化、数据Web查看/下载/统计分析功能。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为以太网模块9。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为wifi模块10。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为移动通讯模块11。

其中，作为优选的数据传输方式，传输设备为卫星。

如图2所示，LORA网关3内设有嵌入式微型电脑31和8通道LORA射频接收器32,节点采用ARM架构的低功耗32位MCU做主控器22,内嵌LoRaWAN无线通信协议，有信号碰撞检测机制，自适应速率，面对复杂的环境有超强抗干扰机制。LORA节点21自带ACK信号确认，有效地保障了通信可靠性要求，发射功率根据通信距离的RISS值自动调整，有效地实现了低功耗通信的要求。

LORA网关3集成了一台微处理器，基于ARM架构，内嵌linux操作系统，集成LoRaWAN协议，通过SPI接口和射频模块通信。LORA节点21有4个标准USB接口、一个10/100M以太网口、SMA接口接470M天线，采用DC5V/2A电源供电，支持POE 9-36V供电。

本系统自带WLAN模块，可以通过WiFi接入互联网，也可以通过RJ45接口连接以太网接入互联网实现到云端的通信。LORA网关3射频通信模块接收LORA节点21发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器。LORA网关3同时担任服务器发来的数据转发给终端节点2。

采用LoRa WAN 协议更好的实现了多节点通信，LORA网关3集成了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收的稳定性。无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

其中，作为优选的供电方式，终端节点2通过磷酸铁电池供电。

终端节点2内设有节能模块，节能模块内置超强休眠机制，睡眠电流可低至100 uA级，1节电池3000 mAh磷酸铁电池可供LORA节点21使用5-10年。

LORA射频模块24通过169MHz-1024MHz（可定制）射频天线25与路由器1进行通讯，其中，优选采用470MHz射频天线25与路由器1进行通讯。

在具体的实施使用过程中，将本系统应用在三个水文站，根据三个水文站的现场进行了实地的考察。情况如下：

1号水文站

安置设备：雨量计、水位计、一路高清视频。

安装方法：雨量计和水位计通过LoRa模块传到LORA网关3，LORA网关3通过网线与互联网接入路由器1连接，高清网络摄像机通过WIFI接入互联网。

2号水文站

安装设备：雨量计、水位计、一路高清视频。

安装方法：雨量计和水位计通过LoRa模块传到LORA网关3，LORA网关3通过网线与互联网接入路由器1连接，高清网络摄像机通过WIFI接入互联网。

3、水文总站和水务局点对点通信（无线Mesh网）

安装设备：2-3个无线Mesh节点。

现场条件：先在水文总站和水务局楼顶至高点处各安装一个Mesh节点，看是否能联通，如果不能联通，在水文总站和水务局之间找一处至高点建筑物装一个中继，再行调试。

设备优点：无线MESH网络负责把所有的设备连接起来，打破了物理距离的限制，强大的冗余和容错能力确保系统可靠稳定的连接，提供100M以上的可用带宽，将数据、视频和语音统一传输。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。