▌方案概述
抄水表的方案有很多種技術可以實現，目前主要有有線抄表和無線抄表兩大類別。在各種抄表技術中，無線抄表技術是比較容易被接受的，因為不需要現場布線，安裝方便維護更新簡單。但一些無線技術方案也存在著一些應用上的問題和不足，如FSK距離短、穿透力差、無線信號不穩定，而GPRS雖然網絡好但又太耗電。LoRa技術的出現為抄表應用解決了傳輸距離、網絡信號和耗電等應用上的問題。本文推薦一個基于LoRaWAN的智慧水務解決方案。
下圖是基于LoRaWAN的水表/氣表抄表系統應用框圖：
本方案采用了LoRaWAN網絡的標準架構，實現了端到端的數據傳送，傳統的水表終端設計成了LoRaWAN終端，網絡服務器針對抄水表的數據業務特點進行了相應地數據報表的優化。
▌LoRa智慧水務解決方案網絡架構
下圖是本方案的網絡系統架構示意圖：
終端層 - 專為水氣表應用設計了具有LoRaWAN功能的PCBA，并且對目前的水氣表PCBA的刷膠工藝進行了優化設計改進，采用防水盒式的設計，方便后期水氣表控制系統的維護和更換更新。針對水表的安裝環境進行了LoRaWAN天線設計和優化，做成了PCB天線，經過專業的匹配和實地測試，收發性能良好。
網絡層 - 采用了基于LoRaWAN的標準協議，并針對水表數據業務進行了優化處理。低功耗廣域（LPWA）技術為大規模數據采集系統的應用提供了很好的技術支撐。針對LoRaWAN網絡信號的盲區，還設計了一款低成本的LoRaWAN中繼設備，解決了LoRaWAN網絡覆蓋的問題。解決了LoRaWAN實際部署中信號盲點的問題。目前，從試點的效果來看比較理想。
云平臺 - 智能硬件云平臺提供集群部署、協議和服務管理等。LoRaWAN的網絡服務器（NS）可以私有云部署，也可以公有云部署，更方便項目靈活地部署。
應用層 - 智能水務應用平臺負責運維管理、數據可視化等工作任務
▌LoRaWAN 水表產品
下圖是水表和模塊實物圖片：
為解決后期的MCU固件升級更新問題，本方案還設計了一款專用工具和軟件，可通過近距離無線升級方式（OTA），無需拆卸表殼，節省了維護成本，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的超低功耗設計，確保產品6~10年的有效使用周期
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高精度脈沖數目計數誤差：±1個/年
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低延遲遠程喚醒功能
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智能OTA升級功能
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先進的防偷盜水功能，遠程自動報警
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支持外部磁信號強制觸發喚醒功能
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無縫對接水表設備云及自來水廠管理平臺，保證數據安全性
▌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適用頻段470-510MHz，支持LoRaWAN標準協議。
主要特性：
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內置STM32L051C8處理器
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支持LoRaWAN™ 1.0協議棧
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支持LoRaWAN™ Class A、Class C
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使用TCXO
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最大鏈路預算可達168dB
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127dB的RSSI動態范圍
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9.9mA低接收電流，200nA待機電流
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支持AES128/SM4等多種安全加密
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支持FSK、GFSK、LoRa™等調制方式
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自動射頻信號檢測,CAD模式和超高速AFC
多種加密技術（AES128/SM4）保證了網絡和數據的安全。
▌LoRaWAN 網關
LoRaWAN網關符合LoRaWAN協議規范，支持多信道并發，POE供電，帶有GPS功能，回程采用3G/4G/WiFi等多種鏈路。LoRaWAN網關經過抗干擾優化設計，可滿足各種不同的環境應用。
主要特性：
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可同時接收同一信道流量
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易于擴展，增加網絡容量
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可同時解調2MHz的帶寬
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簡單的星形網絡一沒有延遲
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自適應鏈路速率
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同時通訊節點10萬指標
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發射功率27dBm
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鏈路靈敏度-157dBm
▌LoRaWAN 網絡服務器
LoRa網絡服務器可進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網管及配置
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EN配置及OTA
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與應用服務器數據交互
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基于源數據選擇最佳的下游路徑
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RTCM高精度定位差分數據廣播( 選購)
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調度下行流量
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GWM接入數量：2000臺
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EN接入數量：>100萬
▌云平臺及應用平臺
智能水表應用平臺主要功能介紹：
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抄表管理（設置，小區、水廠管理等）
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產品生命周期管理（測試、安裝、追溯）
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運營管理（監控、升級、記錄等）
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數據可視化（統計、查詢、圖表、報表）
智能硬件云平臺主要功能介紹：
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采用Dubbo分布式框架支持大容量高并發請求
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采用Docker容器集群部署節約資源和時間
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支持OAuth2.0協議認證授權
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支持多協議通信（HTTP, MQTT, TCP/UDP等)
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實時請求服務治理和服務監控
▌智能抄表管理平臺、收費平臺&智慧生活App
下圖是抄表系統后臺管理界面截圖和App界面截圖，提供了可視化的數據管理后臺。
▌產品測試及測試設備
產品的研發和生產離不開測試儀器儀表，專業完善的儀器儀表保證了方案設計的品質。
▌解決方案部署現場
下圖是方案的部署現場情況，一個LoRaWAN網絡基本上覆蓋了6幢樓，經過現場的設計和優化，基本做到了100% 成功抄表。
▌結語
本方案基于標準的LoRaWAN協議而設計，針對抄水表的數據業務而優化。在實際進行LoRaWAN網絡部署的時，難免會存在信號的盲區，為此專門設計了低成本LoRaWAN網絡的補盲中繼器，實現了LoRaWAN網絡信號的無死角覆蓋。為方便水表的維護和升級還設計了一款空中升級工具，無需打開表殼，就可以進行MCU固件的升級操作，方便了現場的維護和軟件更新。
