LORA管网一体化监测平台

产品详情：

技术解决方案
1 概述
1.1 项目背景
浙江大学五校区地下管线总长度约88Km，有各类计量表计1900余只，其中GPRS型远传表计500只。五校区年用水量约430万吨，每年地下管网的漏损约30万吨。由于GPRS型远传表计的价格较高，后期还有通信流量费，大规模安装的成本较高，目前只能安装在一些总管和主要节点上。同时，GPRS型远传表计必须通过公网才能传输数据，在运营商网络故障或者服务器处于校园内网的情况下，无法获取管网实时数据。受制于通讯流量费和电池功耗，GPRS型远传表计目前每天定时发送两次数据，无法对管网进行实时监测，存在监测的时间盲区。同时，软件平台的功能不完善，分析方式单一，主要还是依靠人工对观测点位进行分时比对分析，无法自动筛选出疑似漏损区域。
1.1.2 建设目标
通过本次项目完成低功耗的校园广域无线网络的初步建设，奠定能源管理物联网络的基础，为制定统一的终端设备设施通讯协议和接入标准提供技术依据。
1.1.3 系统建设原则
●充分利用现有的软硬件资源。
系统设计应充分考虑现有设备的重复利用性，考虑现有软件平台中历史数据的分析价值，将现有的软硬件资源尽可能融入到本项目中。
●技术实现的先进性、安全性和实用性相结合。
整个项目是由多个部分组成的较为复杂的系统，为确保系统在今后较长一段时期内的安全稳定运行，要求所选产品具有较为前沿的技术，具有良好的安全措施，并符合实际使用情况和使用习惯。
●软硬件的标准化、规范化和数据的一体化。
系统设计应遵循统一的标准，在确保功能多样性的情况下，整体考虑对设备、软件和数据的关系，使系统间能安全地互联互通、信息共享。
●软硬件的开放性和可扩展性。
系统设计充分了解浙江大学现有能耗监管平台相关情况，考虑到浙江大学未来表计接入管理的需要，项目系统的软硬件环境具有良好的可扩充性，实现与现有能耗监管平台的数据对接，可通过数据库直读方式获取相关平台数据，并可通过WebServer技术进行数据传输。
●系统的易操作和易维护。
系统设计应遵循易管理、易使用、易学习的原则。

2 项目建设内容
2.1 项目功能说明
本项目通过采用LoRa完成低功耗的校园广域无线网络的初步建设，奠定能源管理物联网络的基础，为制定统一的终端设备设施通讯协议和接入标准提供技术依据。本次项目将接入管网相关表计，实现流量数据的实时监测，后期逐步接入泵房、路灯、井盖等设备设施，实现能源管理物联网的充分利用。
本项目通过技术改造，实现水表数据的实时远传功能；通过管网的网格化和层级化管理，结合表计远传数据的分析，建立符合校园环境的DMA模型，及时发现异常用量，测算区域漏损情况，辅助查找可疑漏点，降低管网漏损率。
2.2 项目建设内容
◆低功耗网络建设：
根据玉泉校区、西溪校区、华家池校区、之江校区、紫金港东区的实际情况，选定地点建设低功耗基站（五个校区的总基站数量是15个，根据实际情况统筹安排）。
基站工作时，不能干扰校园广播电视信号、对讲机信号及其他数据采集信号。
基站覆盖范围应满足室外终端通信要求，对于个别覆盖不到区域，投标单位应采取中继及其他等设备和方式进行扩展。
基站应通过校园网与服务器进行通信，在校园网络正常运行的情况下，基站与服务器应能够保持稳定通信。
基站通讯协议需移交浙江大学。
◆低功耗远传终端改造：
投标单位应有成熟的方案对普通水表进行技术改造，实现用水量的定时采集和发送。技改方案要求施工简便，成本低廉，水表改造后不能影响原有精度，不影响表盘视数识别，软件读数应与水表表盘读数一致。
终端设备可兼容玉泉校区、西溪校区、华家池校区、之江校区、紫金港东区现已安装的各型号水表。对现已安装的其他品牌远传水表，应有技术方案确保通信网络的兼容性和用量采集的稳定性，采集并发送用量数据到本项目软件平台中。
如因水表老化损坏等原因，确需对原有水表进行更换，我司已取得新水表（具有CMC证书）的原厂授权。
终端与基站间的通讯协议需移交浙江大学。
◆管网监测软件开发：
PC端软件（WEB服务程序和各类配置工具软件）使用同一种数据库类型和同一种开发语言，应同时支持主流Windows、Linux操作系统上的安装和部署。采用用户名、密码以及浙江大学统一身份认证方式登录。
移动端软件使用HTML5页面，应同时支持安卓、苹果等主流手机系统上的使用。采用用户名、密码以及浙江大学统一身份认证方式登录。
3 系统构成及原理说明
3.1 低功耗无线网络的组成
LPWAN 是 Low-Power Wide-Area Network 的英文简称，或者称之为一种低功耗网络（LPN），是一种低速率长距离通信的电信网络，用于物联网的通信，如电池供电的传感器、或以能量收集为电源的设备等。本项目根据采购要求选用LoRa作为无线通讯方式。
Lora易于建设和部署,网关可并行接收处理多个节点，大大扩展了系统容量，接收灵敏度-148dbm,确保网络可靠性，LoRa使用线性扩频技术， 改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。
LoRa是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统的无线系统使用频移键控（FSK）调制作为物理层，因为它是一种实现低功耗的非常有效的调制。LoRa?是基于线性调频扩频调制，它保持了像 FSK 调制相同的低功耗特性，但明显地增加了通信距离。线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年，可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性，LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。

LoRa网络的优势：
?针对各种大型应用的灵活性
?通信协议安全
?距离、容量、双向通信、干扰的鲁棒性
?网络部署成本，终端节点 BOM 的成本、电池的成本（BOM 最大的贡献者）
?解决方案提供商的生态系统提供灵活的商业模式
?可用的终端产品确保网络部署的投资回报率（ROI）
?生态系统的优势确保质量和解决方案的寿命

3.2系统架构

3.3 系统主要构成
1）低功耗通讯基站
作用：与远传终端通信或与中继站通信。与远传终端通信时，直接发送命令到远传终端进行数据采集；
与中继站通信时，通过中继站与中继站管理的远传终端通信，中继站可视为透明
2）低功耗通讯中继站
作用：扩大无线覆盖范围。中继站与远传终端进行通信；基站的采集命令通过中继站发送到远传终端
3）低功耗远传终端
作用：接收基站或中继站的命令，上传水表数据。平常处于微功耗状态，收到基站或中继的唤醒信号时，进行数据通讯处理；水表指针每转一圈，做一次计数。其他时间休眠.
4）管网一体化监测平台
通过管网的网格化和层级化管理，结合表计远传数据的分析，建立符合校园环境的DMA模型，及时发现异常用量，测算区域漏损情况，辅助查找可疑漏点，降低管网漏损率。

3.4 水表远传改造的工作原理
本项目中的流量检测使用无源开关直读水表，它综合了无源直读远传水表和有源脉冲远传水表的优点，在微功耗 、准确性 、防水性、低成本等方面都有了极大的改善。
无源开关直读式水表的改造，就是在普通水表的基础之上，增加无源开关装置，进而改造成直读式远传水表。本产品采用分体式设计，电子模块与水表各自独立，可以方便进行老表改造同时也可与其他同类表具配套使用，维护方便。
由传感、采集、通讯传输（使用LoRa）三部分组成，用自保持开关传感器作为单片机的启停开关，水表磁针每转动到0.1方位置时，传感器中的开关接通电源，单片机工作1秒钟（也可以更短），确认开关状态后自动加1，之后断电停机，等待下一次感应。以此周而复始，累计记录数据，该数据就是水表显示数据，可通过总线直接读出。
特点
?正常工作时无需用电（断电），只在计数瞬间微量通电，真正做到了有源模块无电池 ??
?抄表时从总线获取电能储存在非电池器件（电容）中，供水表平时使用，所存电量（可长达一年）足够使用到下次抄表前；
?由于模块平时处在关机状态，对外界干扰完全免疫，保证了产品的可靠性。
?所有电子部件全部处于水表外部，一般工艺即可达到原有水表的精度、压力、防水、防潮等精密要求，彻底解除无源直读水表因工艺复杂造成技术问题的所有担忧。
?具有智能电量管理功能、欠压报警、亏电保护功能；
?在普通水表上加装传感器而成，安装灵活，更换方便，使用寿命可达两个以上水表周期（6年*2），成功解决周期性换表出资难问题。
?超小体积、高防护等级，防水等级可达到IP68；
?成本降低，适合于大规模普及推广。
安装灵活，更换方便，使用寿命可达两个以上水表周期（6年*2），成功解决后续换表出资难问题。维护成本低。不论是水表还是直读传感部分，任何一部分损坏都可单独更换。成本降低，适合于大规模普及推广。
1、技改方式兼容现已安装的普通表计和远传表计
2、技改后不影响表计原有的计量准确性（改造不涉及基表机械结构，只涉及数据传输，不应影响基表计量精度）
3、技改后不影响表计原有视数的读取
4、技改后可稳定传输表计读数到本项目软件平台
5、整体更换的表计具有CMC证书

3.5 DMA分析模型
DMA（District Metering Area，即独立计量区域）是指通过截断管段或关闭管段上阀门的方法，将管网分为若干个相对独立的区域，并在每个区域的进水管和出水管上安装流量计，从而实现对各个区域入流量与出流量的监测。
漏损控制是进行DMA管理最主要的目的，以往查漏都是被动检漏，发现问题后才去定位、维修，导致泄漏时间很长，总的水损增大，即使请检漏公司进行漏水普查，能在短时间内取得很好的效果，但是由于漏水复原现象的存在，并不能从根本上达到降漏损的目的。只有通过准确的夜间计量、实时的噪声监测、准确快速的漏水定位和维修、合理的压力管理才能最终达到控制漏损，逐步降低产销差的目的。
DMA分区管理是控制城市供水系统水量漏失的有效方法之一，其概念是在1980年初，由英国水工业协会在其水务联合大会上首次提出。在报告中，DMA被定义为供配水系统中一个被切割分离的独立区域，通常采取关闭阀门或安装流量计，形成虚拟或实际独立区域。通过对进入或流出这一区域的水量进行计量，并对流量分析来定量泄漏水平，从而利于检漏人员更准确的决定在何时何处检漏更为有利，并进行主动泄漏控制。

DMA分区管理即选择独立供水区域采用区域性计量管理，对降低使用区内供水设施的漏损，实行长期持续的监控具有非常重要的意义。
DMA管理的关键原理是在一个划定的区域，利用夜间最小流量分析来确定泄漏水平。DMA的建立能够主动确定区域的泄漏水平，并指导检漏人员优化检漏顺序，同时通过监测DMA的流量，可以识别是否有新的漏点存在，由于管网泄漏是动态的，如果在泄露之初就得到控制，泄漏可以大幅减少；如果没有持续的泄漏控制，泄露会随着时间的延续而增大。因此，DMA管理被视为在供水管网中减少和维持泄漏水平的有效方法。
例如，夜间最小流量受季节性变化的影响很小，故通过夜间最小流量分析方法，可以将存在已报告的或未报告的泄露水量可以被识别出来。

典型DMA夜间最小流量分析图谱

? DMA分区管理的关键原理是使用最小流量来判断供水管网中一个特定区域的泄漏水平，建立DMA可以判断出分区当前的泄漏水平，并随后确定检漏方案。通过监测DMA中的流量，识别出新发生爆管的可能性，可以将泄漏维持在一个最佳的水平。
本项目中将结合DMA技术进行漏点报警和分析。


4 管网一体化监测平台功能介绍
管网一体化监测平台软件系统采用B/S架构，主要应包括：监测网络子系统、DMA分析及预警子系统、数据采集传输子系统、数据资源管理子系统、数据接口子系统、移动客户端子系统。
4.1 监测网络子系统
以浙江大学自建的校园E地图为基础，将通讯网络、管道、表计分布等信息标绘在地图上，其中通讯网络分布和管网、表计分布应位于不同图层，可单独显示，可叠加显示，各点位的信息可自动更新并显示。管道信息应包括口径、材质等，表计信息应包括品牌、口径、安装日期、流向、窨井位置等，并显示当日时均流量。可根据条件单独对某一区域、某一层级进行查询、显示，可在图上直观醒目显示漏损告警信息。
4.2 DMA分析及预警子系统
以市政水表为一级水表，根据大楼进水表、二级泵房等实际情况，分离出若干个相互独立的计量区域内的管网，实行网格化和层级化并行的管理，并以夜间最小流量、区域流量平衡等方式评估网格运行情况，判断网格或层级内是否存在漏水以及泄漏量的大小，在地图上以较为直观的方式反映该区域漏损情况。我公司提供相关DMA计算方法。
4.3 数据采集传输子系统
以图形化界面在线配置和接入基站、中继和终端，对基站、中继的状态实时显示，对数据的采集传输中终端离线等异常情况发出告警提示，可动态管理终端的接入数量和数据采集频率。我公司可提供相关采集传输程序进行现场演示。
4.4 基础数据资源管理子系统
提供完成系统的数据初始化，实现各类终端表计的增加、修改、删除、查询和统计，实现管网的地理位置及层级的配置及修改，各类权限的配置，数据的导入和导出功能。提供基于年、月、日、时等时间段业务数据的查询和统计。可将500只GPRS型远传水表的历史用量及实时用量数据纳入管理。
4.5 数据接口子系统
无缝对接浙江大学远传水表监测系统，实现与浙江大学能耗监管平台之间的部分数据共享与交换，与二级能耗平台之间的接口和数据融合，与计量收费平台之间的接口与数据融合（原有其他系统已有开放接口）。
4.6 移动客户端子系统
在手机端实现管网信息查询、漏损分析查询、漏损告警、表计数据读取、现场信息核对等功能，满足工作人员在室外巡查检修时对于数据的需求。移动端将充分考虑移动自助抄表平台的相关数据和功能。

4.7 其他系统管理功能
（1）管网图形化定义
节点信息应可以灵活、自由地进行配置，对操作权限进行设置，保证数据复杂应用中的可用性和适应性。
（2）工作即时提醒
系统具备浏览器方式下的信息提醒机制。有新的信息时，以文字或声音的方式对用户进行提示。
（3）人员权限集中设置
可根据部门和岗位职责划分成不同用户群，从业务需求和使用权限上进行分类。


6 技术参数介绍
6.1 低功耗通讯基站
基站规格：
1、基站与终端通讯方式：LoRa
2、基站与服务器通讯方式：接入校园以太网，数据传输不通过运营商网络。
3、基站支持在线配置
4、单基站管理节点数量：不少于2000
5、支持多终端通讯避让机制
6、支持时钟同步
7、支持终端参数配置
8、支持电量监测、工作状态上报
9、基站支持远程升级操作
10、数据加密传输，支持秘钥设置和身份认证
11、信号传输半径：大于2000m（市区环境）
12、供电方式：交流220V
13、工作温度范围：-40℃～+85 ℃
天线规格：
1、辐射方向：全向天线
2、频率范围：470-490MHz
3、增益：5.0dBi
6.2 低功耗通讯中继站
中继站规格：
1、中继与终端通讯方式：LoRa
2、支持信道配置
3、单中继站管理节点数量：不少于2000
4、支持多终端通讯避让机制
5、支持时钟同步
6、支持终端参数配置
7、数据加密传输，支持秘钥设置和身份认证
8、信号传输半径：大于2000m（市区环境）
9、供电方式：交流220V或直流3.8V
10、支持电池电量监测、工作状态上报
11、工作温度范围：-40℃～+85℃
天线规格：
1、辐射方向：全向天线
2、频率范围：470-490MHz
3、增益：5.0dBi
6.3 低功耗远传终端
通讯模块规格：
1、终端与基站通讯方式：LoRa
2、支持在线配置
3、数据加密传输，支持秘钥设置和身份认证
4、信号传输半径：大于2000米（市区环境）
5、电池容量：大于3000mAh
6、电池使用时间：2年
7、工作电流：<300mA
8、灵敏度：-139dBm
9、工作温度范围：-40℃～+85 ℃
天线规格：
1、辐射方向：全向天线
2、频率范围：470-490MHz
3、增益：4.0dBi

6.4 便携式终端调试仪
1、调试仪与基站/终端通讯方式：LoRa
2、调试仪与手机通讯方式：蓝牙
3、支持终端参数配置
4、支持多终端通讯避让机制
5、支持时钟同步
6、数据加密传输，支持秘钥设置
7、供电方式：3.8V可充电电池
8、工作温度范围：-20℃～+45℃

6.5 数据采集器
1、采用Cortex-M3 MCU(128KB SRAM)和2MB Flash
2、支持基站接入协议和报文自动上报
3、采用实时操作系统
4、支持TCP/IP/Telnet /Modbus TCP协议
5、支持串口转10/100M 以太网数据传输
6、支持10/100M以太网自适应
7、支持数据SSL/AES/DES3安全加密配置
8、支持网页OTA升级
9、供电方式：交流220V
10、工作温度范围： -40℃～+85℃