一种基于LoRa技术的遥测流速采集系统的制作方法

本实用新型属于数据采集技术领域，具体涉及一种低功耗的流速传感器。

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。

目前市面上的流速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。

高成本的流速采集终端导致每个地区的流速采集器部署非常有限，稀疏的流速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：

为解决现有流速传感器存在的高功耗、成本高、传送距离短的技术问题，本实用新型提供了一种应用LoRa技术的流速传感器，信号采集效果好，通用性和可靠性都得到了保障。

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技术的遥测流速采集系统，包括PCB板和安装在PCB板上的微控制器、雷达流速传感器、超声波流速传感器、电源模块、欠压检测模块和外部存储器，微控制器的第一信号输入端与超声波流速传感器的信号输出端连接，微控制器的第二信号输入端与雷达流速传感器的信号输出端连接，微控制器的供电接口与电源模块连接，微控制器的检测接口与欠压检测模块连接，微控制器的数据存储端口与外部存储器连接，微控制器通过SPI总线与LoRa收发器连接，LoRa收发器与LoRa网关无线连接。

超声波流速传感器和雷达流速传感器为流速采集装置，超声波流速传感器和雷达流速传感器发出高频脉冲声波遇到背侧物位表面后，声波被反射折回，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传到LoRa网关，每个信号采集端上都有一个唯一的ID码标识，服务器通过ID码来识别流速采集器的安装位置。

LoRa网关包括嵌入式处理器，嵌入式处理器与LoRa射频模块之间通过SPI总线连接，LoRa射频模块上设有LoRa天线，嵌入式处理器通过通信模块与互联网模块连接。

LoRa网关与LoRa收发器之间采用LoRa扩频通信技术，采用LoRa WAN协议，更好地实现了多接点通信，LoRa网关集成了8通道无线射频模块，更好地保证了数据接收稳定性。LoRa射频模块通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的宽带下使用获得接近-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。

作为其中一种通信方式，通信模块包括路由器，路由器的信号输入端与嵌入式处理器连接，路由器的信号输出端与互联网模块连接，路由器的信号输出端与互联网模块连接，通信模块的信号通过路由器传输给互联网模块进行处理。

作为另一种优选的通信方式，通信模块包括无线AP，无线AP的信号输入端与嵌入式处理器连接，无线AP的信号输出端与互联网模块连接，通信模块的信号通过无线AP传输给互联网模块进行处理。

电源模块为3000 mAh高能锂电池，3000mAh高能锂电池可以使用5-10年，与传统的太阳能系统供电采集终端相比，成本更低。

PCB板上开有多个螺纹孔，PCB板通过自攻螺钉定位。

作为优选的结构布局，电源模块和欠压检测模块置于同一侧，雷达流速传感器、超声波流速传感器和外部存储器置于同一侧。

LoRa天线为137-1020MHz射频天线，LoRa天线与流量采集器无线连接。

本实用新型与现有技术相比，具体体现在：

一、低成本：系统利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集。流速采集装置通过网关接入互联网模块，每个LoRa网关可以接入多达5000个流速采集装置，只需要一条互联网接入通道，很大程度地节约了流速采集系统的成本。

二、远距离通信：LoRa网关和流速采集器采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距，流速采集器和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时，流速采集器可以在不同的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。

三、低功耗：流速采集器采用低功耗设计，采用单节高能电池供电，一节3000mAh电池可以使用5-10年，和传统太阳能系统供电采集终端相比，成本更低。

附图说明

图1为本实用新型的控制简图。

图2为本实用新型的控制原理图。

图3为本实用新型的结构原理图。

图4为图1中LoRa网关的控制原理图。

图中，1为PCB板，2为微控制器，3为雷达流速传感器，4为超声波流速传感器，5为电源模块，6为欠压检测模块，7为外部存储器，8为LoRa收发器，9为LoRa网关，10为嵌入式处理器，11为螺纹孔，12为LoRa射频模块，13为SPI总线，14为LoRa天线，15为通信模块，16为互联网模块，17为路由器，18为无线AP。

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1-4所示，一种基于LoRa技术的遥测流速采集系统，包括PCB板1和安装在PCB板1上的微控制器2、雷达流速传感器3、超声波流速传感器4、电源模块5、欠压检测模块6和外部存储器7，微控制器2的第一信号输入端与超声波流速传感器4的信号输出端连接，微控制器2的第二信号输入端与雷达流速传感器3的信号输出端连接，微控制器2的供电接口与电源模块5连接，微控制器2的检测接口与欠压检测模块6连接，微控制器2的数据存储端口与外部存储器7连接，微控制器2通过SPI总线13与LoRa收发器8连接，LoRa收发器8与LoRa网关9通过无线信号进行数据传输。

超声波流速传感器4和雷达流速传感器3为流速采集装置，超声波流速传感器4和雷达流速传感器3发出高频脉冲声波遇到背侧物位表面后，声波被反射折回，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传到LoRa网关9，每个信号采集端上都有一个唯一的ID码标识，服务器通过ID码来识别流速采集器的安装位置。

外部存储器7用于存储数据和软件系统，自带WLAN模块，并可以通过wifi接入互联网，也可通过接口RJ45接口连接以太网以实现云端的通信。

LoRa网关9包括嵌入式处理器10，嵌入式处理器10与LoRa射频模块12之间通过SPI总线13连接，LoRa射频模块12上设有LoRa天线14，嵌入式处理器10通过通信模块15与互联网模块16连接，嵌入式处理器10与LoRa射频模块12通信，数据收集并转发到互联网模块16，LoRa网关9与互联网模块16采用标准IP网络协议，通用性和可靠性都得到保障。

LoRa网关9与LoRa收发器8之间采用LoRa扩频通信技术，采用LoRa WAN协议，更好地实现了多接点通信，LoRa网关9集成了8通道无线射频模块，更好地保证了数据接收稳定性。LoRa射频模块12通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的宽带下使用获得接近-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20dB，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。

流速采集系统采用低功耗32位MCU做主控器,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。自带了ACK信号确认，有效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，有效的实现了低功耗通信的要求。内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3000mAhh高能锂电池可供节点使用5-10年。

流速采集系统设计了4-20mAh电流环采集模块，用于采集超声波流速传感器4电流信号。该节点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候无需更换终端节点。

流速采集系统中的超声波流速传感器4和雷达流速传感器3发出高频脉冲声波，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传送到网关，每个终端节点有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别流速采集器的安装位置。

互联网模块16是数据汇总的中心数据库，该系统实现数据存储，流速采集器设备管理，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。

流速采集系统内设有数字滤波器，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。

内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可以对流速采集系统的运行参数做日志记录。

作为其中一种通信方式，通信模块15包括路由器17，路由器17的信号输入端与嵌入式处理器10连接，路由器17的信号输出端与互联网模块16连接，路由器17的信号输出端与互联网模块16连接，通信模块15的信号通过路由器17传输给互联网模块16进行处理。

作为另一种优选的通信方式，通信模块15包括无线AP18，无线AP18的信号输入端与嵌入式处理器10连接，无线AP18的信号输出端与互联网模块16连接，通信模块15的信号通过无线AP18传输给互联网模块16进行处理。

电源模块5为3000 mAhh高能锂电池，3000mAhh高能锂电池可以使用5-10年，与传统的太阳能系统供电采集终端相比，成本更低。

PCB板1上开有多个螺纹孔11，PCB板1通过自攻螺钉定位。

作为优选的结构布局，电源模块5和欠压检测模块6置于同一侧，雷达流速传感器3、超声波流速传感器4和外部存储器7置于同一侧。

LoRa天线14为137-1020MHz射频天线，LoRa天线14的具体频率根据实际情况来定，LoRa天线14与流量采集系统无线连接。

工作流程: LoRa网关9接收流速采集装置发来的数据，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9同时可将云服务器发来的数据转发给流速采集系统。

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。使得流速采集的密度提高，有效的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。

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，流速采集装置通过LoRa网关9接入互联网，每个LoRa网关9可以接入多达5000个流速采集装置，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。以一个RTU终端通信服务费每年120元计算，5000个流速采集装置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。

LoRa网关9和流速采集系统采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距，流速采集系统和LoRa网关9之间采用星型拓扑结构，同时流速采集系统可以在不同的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。

流速采集系统采用低功耗设计，采用单节高能电池供电，一节3000mAhh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更加低成本，比现有的无线通信技术功耗降低了数倍。

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。