本實(shí)用新型屬于無線通信數(shù)據(jù)采集設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用在水位采集中的低功耗擴(kuò)頻通信設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們與信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)密不可分，無線通信在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。低功耗、微型化是用戶對(duì)當(dāng)前無線通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的強(qiáng)烈要求。短距離無線通信的低成本、相對(duì)其它無線通信技術(shù)的低功耗、及其對(duì)等通信特征等適應(yīng)了飛速發(fā)展的便捷信息傳輸?shù)男枨蟆Ｔ诩夹g(shù)、成本、可靠性及可實(shí)用性等各方面的綜合考慮下，低功耗長(zhǎng)距離無線通信技術(shù)成為了當(dāng)今通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

目前市面上的水位采集終端主要是基于RTU技術(shù)，通過GPRS、3G、4G網(wǎng)絡(luò)傳輸采集到的數(shù)據(jù)，每個(gè)采集終端造價(jià)高，而且在運(yùn)營(yíng)中需要支付給通信公司高額的流量使用費(fèi)。通信數(shù)據(jù)受運(yùn)營(yíng)商接口的限制。只能遵循運(yùn)營(yíng)公司的標(biāo)準(zhǔn)來做傳輸受到很大的局限。數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)比較大，由于RTU服務(wù)器的限制每條數(shù)據(jù)傳輸需要有一定的時(shí)間間隔，達(dá)不到實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

每個(gè)終端需要配置大功率的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，維護(hù)成本很高，使用壽命低，每隔2年就需要更換蓄電池。

高成本的水位采集終端導(dǎo)致每個(gè)地區(qū)的水位采集器部署非常有限，稀疏的水位采集數(shù)據(jù)不足已給防汛抗旱提供準(zhǔn)確有效數(shù)據(jù)分析能力，給國(guó)家防汛抗旱工作造成很大的困難。近期大部分地區(qū)暴雨災(zāi)害非常頻繁，迫切需要部署一套有效的低成本遙測(cè)終端。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的成本高、可靠性差的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種基于無線擴(kuò)頻技術(shù)的水位采集系統(tǒng)，成本低，能耗小，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，能夠適應(yīng)目前水利中對(duì)水位采集系統(tǒng)的需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為：一種基于LoRa技術(shù)的超低功耗遙測(cè)水位采集系統(tǒng)，包括路由器和終端節(jié)點(diǎn)，路由器內(nèi)設(shè)有LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無線連接，路由器與內(nèi)部存儲(chǔ)器的信號(hào)輸入端連接，內(nèi)部存儲(chǔ)器的信號(hào)輸出端與本地存儲(chǔ)器連接，路由器通過傳輸設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)模塊的信號(hào)輸入端相連，互聯(lián)網(wǎng)模塊的信號(hào)輸出端分別與云存儲(chǔ)器、云平臺(tái)服務(wù)器相連。

本系統(tǒng)利用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)到云端的采集，終端節(jié)點(diǎn)通過LoRa網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以接入多達(dá)5000個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)，只需要一條互聯(lián)網(wǎng)接入通道，很大程度的節(jié)約了終端采集器的成本。

終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)，LoRa節(jié)點(diǎn)包括主控器，主控器的信號(hào)輸入端與超聲波液位傳感器相連，主控器與超聲波液位傳感器之間裝有電流環(huán)，主控器的信號(hào)輸出端與LoRa射頻模塊的信號(hào)輸入端相連，LoRa射頻模塊的信號(hào)輸出端通過無線信號(hào)與路由器相連。LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa節(jié)點(diǎn)采用Lora擴(kuò)頻通信技術(shù)，該技術(shù)具有低功耗，遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為以太網(wǎng)。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為wifi。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為2G/3G/4G。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為衛(wèi)星。

LoRa網(wǎng)關(guān)內(nèi)設(shè)有嵌入式微型電腦和8通道LoRa射頻接收器，采用LoRa WAN 協(xié)議更好地實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)通信，LoRa網(wǎng)關(guān)集成了8通道無線接收器，更好地保證了數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性。無線接收器通過擴(kuò)頻技術(shù)使得此類接收機(jī)在125kHz的帶寬下使用獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比，這種新的擴(kuò)頻方式在靈敏度上改善了30dB，使得同樣的通信距離發(fā)射功率就會(huì)降低，從而實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)距離的通信。

其中，作為優(yōu)選的供電方式，終端節(jié)點(diǎn)通過磷酸鐵電池供電。

終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有節(jié)能模塊，節(jié)能模塊內(nèi)置超強(qiáng)休眠機(jī)制，睡眠電流可低至100 uA級(jí)，1節(jié)電池3000 mAh磷酸鐵電池可供LoRa節(jié)點(diǎn)使用5-10年。

LoRa射頻模塊通過169MHz-1024MHz（可定制）射頻天線與路由器進(jìn)行通訊。

其中，作為優(yōu)選的通信方式，LoRa射頻模塊通過470MHz射頻天線與路由器進(jìn)行通訊。

本系統(tǒng)的有益效果體現(xiàn)在：

一、長(zhǎng)距離低功耗是本系統(tǒng)的特點(diǎn)，體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中是成本大范圍的降低，使得水位采集的密度提高，有效地為防洪抗旱提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，對(duì)抗旱防汛決策起了至關(guān)重要的作用。

二、此系統(tǒng)利用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了終端數(shù)據(jù)到云端的采集。終端節(jié)點(diǎn)通過LoRa網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以接入多達(dá)5000個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)，只需要一條互聯(lián)網(wǎng)接入通道，很大程度地節(jié)約了終端采集器的成本。以一個(gè)RTU終端通信服務(wù)費(fèi)每年120元計(jì)算，5000個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)每年產(chǎn)生的流量月租費(fèi)用達(dá)5000*120=60萬元，而采用此系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用僅需一條普通4m ADSL線路或光纖接入的費(fèi)用，此費(fèi)用大約在每年600-2000元，隨著國(guó)家對(duì)寬帶運(yùn)營(yíng)提速降費(fèi)的部署，此項(xiàng)費(fèi)用還在降低。

三、LoRa網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)采用擴(kuò)頻無線通信技術(shù)，最遠(yuǎn)可達(dá)3-10公里的通信距離，終端節(jié)點(diǎn)和LoRa網(wǎng)關(guān)之間采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)LoRa節(jié)點(diǎn)可以在不同的LoRa網(wǎng)關(guān)之間無縫漫游通信，采用此通信模式延時(shí)小，更好地提高系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性要求。

四、終端節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，采用單節(jié)18650磷酸鐵電池供電，一節(jié)2300MA電池可以使用5-10年，與傳統(tǒng)太陽(yáng)能系統(tǒng)供電采集終端相比，成本更低，比現(xiàn)有的無線通信技術(shù)功耗降低了數(shù)倍。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的信號(hào)傳輸原理圖。

圖2為嵌入式網(wǎng)關(guān)的信號(hào)傳輸原理圖。

圖3為L(zhǎng)oRa節(jié)點(diǎn)原理圖。

圖中，1為路由器,2為終端節(jié)點(diǎn)，3為L(zhǎng)ORA網(wǎng)關(guān)，4為內(nèi)部存儲(chǔ)器，5為本地存儲(chǔ)器，6為互聯(lián)網(wǎng)模塊，7為云存儲(chǔ)器，8為云平臺(tái)服務(wù)器，9為以太網(wǎng)模塊，10為wifi模塊，11為移動(dòng)通訊模塊，21為L(zhǎng)ORA節(jié)點(diǎn)，22為主控器，23為超聲波液位傳感器，24為L(zhǎng)ORA射頻模塊，25為射頻天線，31為嵌入式微型電腦，32為8通道LORA射頻接收器。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

如圖1所示，一種基于LoRa技術(shù)的超低功耗遙測(cè)水位采集系統(tǒng)，包括路由器1和終端節(jié)點(diǎn)2，路由器1內(nèi)設(shè)有LORA網(wǎng)關(guān)3，LORA網(wǎng)關(guān)3與終端節(jié)點(diǎn)2之間進(jìn)行無線連接，路由器1與內(nèi)部存儲(chǔ)器4的信號(hào)輸入端連接，內(nèi)部存儲(chǔ)器4的信號(hào)輸出端與本地存儲(chǔ)器5連接，路由器1通過傳輸設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)模塊6的信號(hào)輸入端相連，互聯(lián)網(wǎng)模塊6的信號(hào)輸出端分別與云存儲(chǔ)器7、云平臺(tái)服務(wù)器8相連。

本系統(tǒng)利用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)到LORA網(wǎng)關(guān)3的傳輸距離最大可達(dá)20km，單個(gè)LORA網(wǎng)關(guān)3可以連接5000個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)LORA網(wǎng)關(guān)3之間可以通過網(wǎng)狀網(wǎng)（MESH）技術(shù)，進(jìn)行多跳（可達(dá)32跳）、高帶寬（1600Mbps）、遠(yuǎn)距離（50km）的雙向通信。

系統(tǒng)從互聯(lián)網(wǎng)接入，自動(dòng)鏈接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等用戶要求的功能。用戶可以在有互聯(lián)網(wǎng)接入的任何地方，經(jīng)過嚴(yán)格的安全認(rèn)證進(jìn)行相應(yīng)功能的瀏覽操作。

如圖3所示，終端節(jié)點(diǎn)2內(nèi)設(shè)有多個(gè)LORA節(jié)點(diǎn)21，LORA節(jié)點(diǎn)21包括主控器22，主控器22的信號(hào)輸入端與超聲波液位傳感器23相連，主控器22與超聲波液位傳感器23之間裝有TTL、脈沖或4-20mA等輸入信號(hào)，主控器22的信號(hào)輸出端與LORA射頻模塊24的信號(hào)輸入端相連，LORA射頻模塊24的信號(hào)輸出端通過無線信號(hào)與路由器1相連。LORA網(wǎng)關(guān)3和LORA節(jié)點(diǎn)21采用Lora擴(kuò)頻通信技術(shù)，該技術(shù)具有低功耗，遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)2設(shè)計(jì)了傳感器輸入信號(hào)采集模塊，用于采集超聲波水位傳感器電流信號(hào)。該LORA節(jié)點(diǎn)21設(shè)計(jì)滿足大部分傳感器接口的要求做到了通用性，升級(jí)更換傳感器或應(yīng)用方式改變時(shí)無需更換終端節(jié)點(diǎn)2。

水位采集裝置是由超聲波換能器（探頭）發(fā)出高頻脈沖聲波遇到被測(cè)物位（物料）表面被反射折回，反射回波被換能器接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)再通過高精度AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過LoRaWan傳送到LORA網(wǎng)關(guān)3，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)2有一個(gè)唯一的ID碼做標(biāo)識(shí)，服務(wù)器通過ID碼來識(shí)別水位傳感器的安裝位置。

LORA節(jié)點(diǎn)21內(nèi)有數(shù)字濾波器，對(duì)采集的數(shù)據(jù)做分析，去掉雜波有干擾的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

LORA節(jié)點(diǎn)21內(nèi)部集成了8Mbyte的Flash存儲(chǔ)器，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可以對(duì)LORA節(jié)點(diǎn)21運(yùn)行參數(shù)做日志記錄。

云端服務(wù)器是數(shù)據(jù)匯總的中心數(shù)據(jù)庫(kù)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、終端節(jié)點(diǎn)2設(shè)備管理、遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)升級(jí)、大數(shù)據(jù)分析、根據(jù)歷史數(shù)據(jù)智能校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、自建私有云系統(tǒng)、保障數(shù)據(jù)私密性、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)Web查看/下載/統(tǒng)計(jì)分析功能。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為以太網(wǎng)模塊9。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為wifi模塊10。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為移動(dòng)通訊模塊11。

其中，作為優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸設(shè)備為衛(wèi)星。

如圖2所示，LORA網(wǎng)關(guān)3內(nèi)設(shè)有嵌入式微型電腦31和8通道LORA射頻接收器32,節(jié)點(diǎn)采用ARM架構(gòu)的低功耗32位MCU做主控器22,內(nèi)嵌LoRaWAN無線通信協(xié)議，有信號(hào)碰撞檢測(cè)機(jī)制，自適應(yīng)速率，面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境有超強(qiáng)抗干擾機(jī)制。LORA節(jié)點(diǎn)21自帶ACK信號(hào)確認(rèn)，有效地保障了通信可靠性要求，發(fā)射功率根據(jù)通信距離的RISS值自動(dòng)調(diào)整，有效地實(shí)現(xiàn)了低功耗通信的要求。

LORA網(wǎng)關(guān)3集成了一臺(tái)微處理器，基于ARM架構(gòu)，內(nèi)嵌linux操作系統(tǒng)，集成LoRaWAN協(xié)議，通過SPI接口和射頻模塊通信。LORA節(jié)點(diǎn)21有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB接口、一個(gè)10/100M以太網(wǎng)口、SMA接口接470M天線，采用DC5V/2A電源供電，支持POE 9-36V供電。

本系統(tǒng)自帶WLAN模塊，可以通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，也可以通過RJ45接口連接以太網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)到云端的通信。LORA網(wǎng)關(guān)3射頻通信模塊接收LORA節(jié)點(diǎn)21發(fā)來的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)部做差錯(cuò)校驗(yàn)和完整性檢測(cè)以后，把正確的完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器。LORA網(wǎng)關(guān)3同時(shí)擔(dān)任服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)2。

采用LoRa WAN 協(xié)議更好的實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)通信，LORA網(wǎng)關(guān)3集成了8通道無線接收器，更好地保證了數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性。無線接收器通過擴(kuò)頻技術(shù)使得此類接收機(jī)在125kHz的帶寬下使用獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比，這種新的擴(kuò)頻方式在靈敏度上改善了30dB，這樣使得同樣的通信距離發(fā)射功率就會(huì)降低，從而實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)距離的通信。

其中，作為優(yōu)選的供電方式，終端節(jié)點(diǎn)2通過磷酸鐵電池供電。

終端節(jié)點(diǎn)2內(nèi)設(shè)有節(jié)能模塊，節(jié)能模塊內(nèi)置超強(qiáng)休眠機(jī)制，睡眠電流可低至100 uA級(jí)，1節(jié)電池3000 mAh磷酸鐵電池可供LORA節(jié)點(diǎn)21使用5-10年。

LORA射頻模塊24通過169MHz-1024MHz（可定制）射頻天線25與路由器1進(jìn)行通訊，其中，優(yōu)選采用470MHz射頻天線25與路由器1進(jìn)行通訊。

在具體的實(shí)施使用過程中，將本系統(tǒng)應(yīng)用在三個(gè)水文站，根據(jù)三個(gè)水文站的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地的考察。情況如下：

1號(hào)水文站

安置設(shè)備：雨量計(jì)、水位計(jì)、一路高清視頻。

安裝方法：雨量計(jì)和水位計(jì)通過LoRa模塊傳到LORA網(wǎng)關(guān)3，LORA網(wǎng)關(guān)3通過網(wǎng)線與互聯(lián)網(wǎng)接入路由器1連接，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過WIFI接入互聯(lián)網(wǎng)。

2號(hào)水文站

安裝設(shè)備：雨量計(jì)、水位計(jì)、一路高清視頻。

安裝方法：雨量計(jì)和水位計(jì)通過LoRa模塊傳到LORA網(wǎng)關(guān)3，LORA網(wǎng)關(guān)3通過網(wǎng)線與互聯(lián)網(wǎng)接入路由器1連接，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過WIFI接入互聯(lián)網(wǎng)。

3、水文總站和水務(wù)局點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（無線Mesh網(wǎng)）

安裝設(shè)備：2-3個(gè)無線Mesh節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)條件：先在水文總站和水務(wù)局樓頂至高點(diǎn)處各安裝一個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)，看是否能聯(lián)通，如果不能聯(lián)通，在水文總站和水務(wù)局之間找一處至高點(diǎn)建筑物裝一個(gè)中繼，再行調(diào)試。

設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：無線MESH網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)把所有的設(shè)備連接起來，打破了物理距離的限制，強(qiáng)大的冗余和容錯(cuò)能力確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的連接，提供100M以上的可用帶寬，將數(shù)據(jù)、視頻和語音統(tǒng)一傳輸。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包在本實(shí)用新型范圍內(nèi)。