LORA管網(wǎng)一體化監(jiān)測平臺

產(chǎn)品詳情：

技術(shù)解決方案
1 概述
1.1 項目背景
浙江大學五校區(qū)地下管線總長度約88Km，有各類計量表計1900余只，其中GPRS型遠傳表計500只。五校區(qū)年用水量約430萬噸，每年地下管網(wǎng)的漏損約30萬噸。由于GPRS型遠傳表計的價格較高，后期還有通信流量費，大規(guī)模安裝的成本較高，目前只能安裝在一些總管和主要節(jié)點上。同時，GPRS型遠傳表計必須通過公網(wǎng)才能傳輸數(shù)據(jù)，在運營商網(wǎng)絡(luò)故障或者服務(wù)器處于校園內(nèi)網(wǎng)的情況下，無法獲取管網(wǎng)實時數(shù)據(jù)。受制于通訊流量費和電池功耗，GPRS型遠傳表計目前每天定時發(fā)送兩次數(shù)據(jù)，無法對管網(wǎng)進行實時監(jiān)測，存在監(jiān)測的時間盲區(qū)。同時，軟件平臺的功能不完善，分析方式單一，主要還是依靠人工對觀測點位進行分時比對分析，無法自動篩選出疑似漏損區(qū)域。
1.1.2 建設(shè)目標
通過本次項目完成低功耗的校園廣域無線網(wǎng)絡(luò)的初步建設(shè)，奠定能源管理物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，為制定統(tǒng)一的終端設(shè)備設(shè)施通訊協(xié)議和接入標準提供技術(shù)依據(jù)。
1.1.3 系統(tǒng)建設(shè)原則
●充分利用現(xiàn)有的軟硬件資源。
系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分考慮現(xiàn)有設(shè)備的重復利用性，考慮現(xiàn)有軟件平臺中歷史數(shù)據(jù)的分析價值，將現(xiàn)有的軟硬件資源盡可能融入到本項目中。
●技術(shù)實現(xiàn)的先進性、安全性和實用性相結(jié)合。
整個項目是由多個部分組成的較為復雜的系統(tǒng)，為確保系統(tǒng)在今后較長一段時期內(nèi)的安全穩(wěn)定運行，要求所選產(chǎn)品具有較為前沿的技術(shù)，具有良好的安全措施，并符合實際使用情況和使用習慣。
●軟硬件的標準化、規(guī)范化和數(shù)據(jù)的一體化。
系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循統(tǒng)一的標準，在確保功能多樣性的情況下，整體考慮對設(shè)備、軟件和數(shù)據(jù)的關(guān)系，使系統(tǒng)間能安全地互聯(lián)互通、信息共享。
●軟硬件的開放性和可擴展性。
系統(tǒng)設(shè)計充分了解浙江大學現(xiàn)有能耗監(jiān)管平臺相關(guān)情況，考慮到浙江大學未來表計接入管理的需要，項目系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境具有良好的可擴充性，實現(xiàn)與現(xiàn)有能耗監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)對接，可通過數(shù)據(jù)庫直讀方式獲取相關(guān)平臺數(shù)據(jù)，并可通過WebServer技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。
●系統(tǒng)的易操作和易維護。
系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循易管理、易使用、易學習的原則。

2 項目建設(shè)內(nèi)容
2.1 項目功能說明
本項目通過采用LoRa完成低功耗的校園廣域無線網(wǎng)絡(luò)的初步建設(shè)，奠定能源管理物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，為制定統(tǒng)一的終端設(shè)備設(shè)施通訊協(xié)議和接入標準提供技術(shù)依據(jù)。本次項目將接入管網(wǎng)相關(guān)表計，實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，后期逐步接入泵房、路燈、井蓋等設(shè)備設(shè)施，實現(xiàn)能源管理物聯(lián)網(wǎng)的充分利用。
本項目通過技術(shù)改造，實現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的實時遠傳功能；通過管網(wǎng)的網(wǎng)格化和層級化管理，結(jié)合表計遠傳數(shù)據(jù)的分析，建立符合校園環(huán)境的DMA模型，及時發(fā)現(xiàn)異常用量，測算區(qū)域漏損情況，輔助查找可疑漏點，降低管網(wǎng)漏損率。
2.2 項目建設(shè)內(nèi)容
◆低功耗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：
根據(jù)玉泉校區(qū)、西溪校區(qū)、華家池校區(qū)、之江校區(qū)、紫金港東區(qū)的實際情況，選定地點建設(shè)低功耗基站（五個校區(qū)的總基站數(shù)量是15個，根據(jù)實際情況統(tǒng)籌安排）。
基站工作時，不能干擾校園廣播電視信號、對講機信號及其他數(shù)據(jù)采集信號。
基站覆蓋范圍應(yīng)滿足室外終端通信要求，對于個別覆蓋不到區(qū)域，投標單位應(yīng)采取中繼及其他等設(shè)備和方式進行擴展。
基站應(yīng)通過校園網(wǎng)與服務(wù)器進行通信，在校園網(wǎng)絡(luò)正常運行的情況下，基站與服務(wù)器應(yīng)能夠保持穩(wěn)定通信。
基站通訊協(xié)議需移交浙江大學。
◆低功耗遠傳終端改造：
投標單位應(yīng)有成熟的方案對普通水表進行技術(shù)改造，實現(xiàn)用水量的定時采集和發(fā)送。技改方案要求施工簡便，成本低廉，水表改造后不能影響原有精度，不影響表盤視數(shù)識別，軟件讀數(shù)應(yīng)與水表表盤讀數(shù)一致。
終端設(shè)備可兼容玉泉校區(qū)、西溪校區(qū)、華家池校區(qū)、之江校區(qū)、紫金港東區(qū)現(xiàn)已安裝的各型號水表。對現(xiàn)已安裝的其他品牌遠傳水表，應(yīng)有技術(shù)方案確保通信網(wǎng)絡(luò)的兼容性和用量采集的穩(wěn)定性，采集并發(fā)送用量數(shù)據(jù)到本項目軟件平臺中。
如因水表老化損壞等原因，確需對原有水表進行更換，我司已取得新水表（具有CMC證書）的原廠授權(quán)。
終端與基站間的通訊協(xié)議需移交浙江大學。
◆管網(wǎng)監(jiān)測軟件開發(fā)：
PC端軟件（WEB服務(wù)程序和各類配置工具軟件）使用同一種數(shù)據(jù)庫類型和同一種開發(fā)語言，應(yīng)同時支持主流Windows、Linux操作系統(tǒng)上的安裝和部署。采用用戶名、密碼以及浙江大學統(tǒng)一身份認證方式登錄。
移動端軟件使用HTML5頁面，應(yīng)同時支持安卓、蘋果等主流手機系統(tǒng)上的使用。采用用戶名、密碼以及浙江大學統(tǒng)一身份認證方式登錄。
3 系統(tǒng)構(gòu)成及原理說明
3.1 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的組成
LPWAN 是 Low-Power Wide-Area Network 的英文簡稱，或者稱之為一種低功耗網(wǎng)絡(luò)（LPN），是一種低速率長距離通信的電信網(wǎng)絡(luò)，用于物聯(lián)網(wǎng)的通信，如電池供電的傳感器、或以能量收集為電源的設(shè)備等。本項目根據(jù)采購要求選用LoRa作為無線通訊方式。
Lora易于建設(shè)和部署,網(wǎng)關(guān)可并行接收處理多個節(jié)點，大大擴展了系統(tǒng)容量，接收靈敏度-148dbm,確保網(wǎng)絡(luò)可靠性，LoRa使用線性擴頻技術(shù)， 改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量、低成本的通訊系統(tǒng)。
LoRa是物理層或無線調(diào)制用于建立長距離通信鏈路。許多傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制作為物理層，因為它是一種實現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。LoRa?是基于線性調(diào)頻擴頻調(diào)制，它保持了像 FSK 調(diào)制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。線性擴頻已在軍事和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，可以實現(xiàn)長通信距離和干擾的魯棒性，LoRa是第一個用于商業(yè)用途的低成本實現(xiàn)。

LoRa網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢：
?針對各種大型應(yīng)用的靈活性
?通信協(xié)議安全
?距離、容量、雙向通信、干擾的魯棒性
?網(wǎng)絡(luò)部署成本，終端節(jié)點 BOM 的成本、電池的成本（BOM 最大的貢獻者）
?解決方案提供商的生態(tài)系統(tǒng)提供靈活的商業(yè)模式
?可用的終端產(chǎn)品確保網(wǎng)絡(luò)部署的投資回報率（ROI）
?生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢確保質(zhì)量和解決方案的壽命

3.2系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 系統(tǒng)主要構(gòu)成
1）低功耗通訊基站
作用：與遠傳終端通信或與中繼站通信。與遠傳終端通信時，直接發(fā)送命令到遠傳終端進行數(shù)據(jù)采集；
與中繼站通信時，通過中繼站與中繼站管理的遠傳終端通信，中繼站可視為透明
2）低功耗通訊中繼站
作用：擴大無線覆蓋范圍。中繼站與遠傳終端進行通信；基站的采集命令通過中繼站發(fā)送到遠傳終端
3）低功耗遠傳終端
作用：接收基站或中繼站的命令，上傳水表數(shù)據(jù)。平常處于微功耗狀態(tài)，收到基站或中繼的喚醒信號時，進行數(shù)據(jù)通訊處理；水表指針每轉(zhuǎn)一圈，做一次計數(shù)。其他時間休眠.
4）管網(wǎng)一體化監(jiān)測平臺
通過管網(wǎng)的網(wǎng)格化和層級化管理，結(jié)合表計遠傳數(shù)據(jù)的分析，建立符合校園環(huán)境的DMA模型，及時發(fā)現(xiàn)異常用量，測算區(qū)域漏損情況，輔助查找可疑漏點，降低管網(wǎng)漏損率。

3.4 水表遠傳改造的工作原理
本項目中的流量檢測使用無源開關(guān)直讀水表，它綜合了無源直讀遠傳水表和有源脈沖遠傳水表的優(yōu)點，在微功耗 、準確性 、防水性、低成本等方面都有了極大的改善。
無源開關(guān)直讀式水表的改造，就是在普通水表的基礎(chǔ)之上，增加無源開關(guān)裝置，進而改造成直讀式遠傳水表。本產(chǎn)品采用分體式設(shè)計，電子模塊與水表各自獨立，可以方便進行老表改造同時也可與其他同類表具配套使用，維護方便。
由傳感、采集、通訊傳輸（使用LoRa）三部分組成，用自保持開關(guān)傳感器作為單片機的啟停開關(guān)，水表磁針每轉(zhuǎn)動到0.1方位置時，傳感器中的開關(guān)接通電源，單片機工作1秒鐘（也可以更短），確認開關(guān)狀態(tài)后自動加1，之后斷電停機，等待下一次感應(yīng)。以此周而復始，累計記錄數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是水表顯示數(shù)據(jù)，可通過總線直接讀出。
特點
?正常工作時無需用電（斷電），只在計數(shù)瞬間微量通電，真正做到了有源模塊無電池 ??
?抄表時從總線獲取電能儲存在非電池器件（電容）中，供水表平時使用，所存電量（可長達一年）足夠使用到下次抄表前；
?由于模塊平時處在關(guān)機狀態(tài)，對外界干擾完全免疫，保證了產(chǎn)品的可靠性。
?所有電子部件全部處于水表外部，一般工藝即可達到原有水表的精度、壓力、防水、防潮等精密要求，徹底解除無源直讀水表因工藝復雜造成技術(shù)問題的所有擔憂。
?具有智能電量管理功能、欠壓報警、虧電保護功能；
?在普通水表上加裝傳感器而成，安裝靈活，更換方便，使用壽命可達兩個以上水表周期（6年*2），成功解決周期性換表出資難問題。
?超小體積、高防護等級，防水等級可達到IP68；
?成本降低，適合于大規(guī)模普及推廣。
安裝靈活，更換方便，使用壽命可達兩個以上水表周期（6年*2），成功解決后續(xù)換表出資難問題。維護成本低。不論是水表還是直讀傳感部分，任何一部分損壞都可單獨更換。成本降低，適合于大規(guī)模普及推廣。
1、技改方式兼容現(xiàn)已安裝的普通表計和遠傳表計
2、技改后不影響表計原有的計量準確性（改造不涉及基表機械結(jié)構(gòu)，只涉及數(shù)據(jù)傳輸，不應(yīng)影響基表計量精度）
3、技改后不影響表計原有視數(shù)的讀取
4、技改后可穩(wěn)定傳輸表計讀數(shù)到本項目軟件平臺
5、整體更換的表計具有CMC證書

3.5 DMA分析模型
DMA（District Metering Area，即獨立計量區(qū)域）是指通過截斷管段或關(guān)閉管段上閥門的方法，將管網(wǎng)分為若干個相對獨立的區(qū)域，并在每個區(qū)域的進水管和出水管上安裝流量計，從而實現(xiàn)對各個區(qū)域入流量與出流量的監(jiān)測。
漏損控制是進行DMA管理最主要的目的，以往查漏都是被動檢漏，發(fā)現(xiàn)問題后才去定位、維修，導致泄漏時間很長，總的水損增大，即使請檢漏公司進行漏水普查，能在短時間內(nèi)取得很好的效果，但是由于漏水復原現(xiàn)象的存在，并不能從根本上達到降漏損的目的。只有通過準確的夜間計量、實時的噪聲監(jiān)測、準確快速的漏水定位和維修、合理的壓力管理才能最終達到控制漏損，逐步降低產(chǎn)銷差的目的。
DMA分區(qū)管理是控制城市供水系統(tǒng)水量漏失的有效方法之一，其概念是在1980年初，由英國水工業(yè)協(xié)會在其水務(wù)聯(lián)合大會上首次提出。在報告中，DMA被定義為供配水系統(tǒng)中一個被切割分離的獨立區(qū)域，通常采取關(guān)閉閥門或安裝流量計，形成虛擬或?qū)嶋H獨立區(qū)域。通過對進入或流出這一區(qū)域的水量進行計量，并對流量分析來定量泄漏水平，從而利于檢漏人員更準確的決定在何時何處檢漏更為有利，并進行主動泄漏控制。

DMA分區(qū)管理即選擇獨立供水區(qū)域采用區(qū)域性計量管理，對降低使用區(qū)內(nèi)供水設(shè)施的漏損，實行長期持續(xù)的監(jiān)控具有非常重要的意義。
DMA管理的關(guān)鍵原理是在一個劃定的區(qū)域，利用夜間最小流量分析來確定泄漏水平。DMA的建立能夠主動確定區(qū)域的泄漏水平，并指導檢漏人員優(yōu)化檢漏順序，同時通過監(jiān)測DMA的流量，可以識別是否有新的漏點存在，由于管網(wǎng)泄漏是動態(tài)的，如果在泄露之初就得到控制，泄漏可以大幅減少；如果沒有持續(xù)的泄漏控制，泄露會隨著時間的延續(xù)而增大。因此，DMA管理被視為在供水管網(wǎng)中減少和維持泄漏水平的有效方法。
例如，夜間最小流量受季節(jié)性變化的影響很小，故通過夜間最小流量分析方法，可以將存在已報告的或未報告的泄露水量可以被識別出來。

典型DMA夜間最小流量分析圖譜

? DMA分區(qū)管理的關(guān)鍵原理是使用最小流量來判斷供水管網(wǎng)中一個特定區(qū)域的泄漏水平，建立DMA可以判斷出分區(qū)當前的泄漏水平，并隨后確定檢漏方案。通過監(jiān)測DMA中的流量，識別出新發(fā)生爆管的可能性，可以將泄漏維持在一個最佳的水平。
本項目中將結(jié)合DMA技術(shù)進行漏點報警和分析。


4 管網(wǎng)一體化監(jiān)測平臺功能介紹
管網(wǎng)一體化監(jiān)測平臺軟件系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，主要應(yīng)包括：監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、DMA分析及預警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口子系統(tǒng)、移動客戶端子系統(tǒng)。
4.1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
以浙江大學自建的校園E地圖為基礎(chǔ)，將通訊網(wǎng)絡(luò)、管道、表計分布等信息標繪在地圖上，其中通訊網(wǎng)絡(luò)分布和管網(wǎng)、表計分布應(yīng)位于不同圖層，可單獨顯示，可疊加顯示，各點位的信息可自動更新并顯示。管道信息應(yīng)包括口徑、材質(zhì)等，表計信息應(yīng)包括品牌、口徑、安裝日期、流向、窨井位置等，并顯示當日時均流量?？筛鶕?jù)條件單獨對某一區(qū)域、某一層級進行查詢、顯示，可在圖上直觀醒目顯示漏損告警信息。
4.2 DMA分析及預警子系統(tǒng)
以市政水表為一級水表，根據(jù)大樓進水表、二級泵房等實際情況，分離出若干個相互獨立的計量區(qū)域內(nèi)的管網(wǎng)，實行網(wǎng)格化和層級化并行的管理，并以夜間最小流量、區(qū)域流量平衡等方式評估網(wǎng)格運行情況，判斷網(wǎng)格或?qū)蛹墐?nèi)是否存在漏水以及泄漏量的大小，在地圖上以較為直觀的方式反映該區(qū)域漏損情況。我公司提供相關(guān)DMA計算方法。
4.3 數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)
以圖形化界面在線配置和接入基站、中繼和終端，對基站、中繼的狀態(tài)實時顯示，對數(shù)據(jù)的采集傳輸中終端離線等異常情況發(fā)出告警提示，可動態(tài)管理終端的接入數(shù)量和數(shù)據(jù)采集頻率。我公司可提供相關(guān)采集傳輸程序進行現(xiàn)場演示。
4.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源管理子系統(tǒng)
提供完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)初始化，實現(xiàn)各類終端表計的增加、修改、刪除、查詢和統(tǒng)計，實現(xiàn)管網(wǎng)的地理位置及層級的配置及修改，各類權(quán)限的配置，數(shù)據(jù)的導入和導出功能。提供基于年、月、日、時等時間段業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計?？蓪?00只GPRS型遠傳水表的歷史用量及實時用量數(shù)據(jù)納入管理。
4.5 數(shù)據(jù)接口子系統(tǒng)
無縫對接浙江大學遠傳水表監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)與浙江大學能耗監(jiān)管平臺之間的部分數(shù)據(jù)共享與交換，與二級能耗平臺之間的接口和數(shù)據(jù)融合，與計量收費平臺之間的接口與數(shù)據(jù)融合（原有其他系統(tǒng)已有開放接口）。
4.6 移動客戶端子系統(tǒng)
在手機端實現(xiàn)管網(wǎng)信息查詢、漏損分析查詢、漏損告警、表計數(shù)據(jù)讀取、現(xiàn)場信息核對等功能，滿足工作人員在室外巡查檢修時對于數(shù)據(jù)的需求。移動端將充分考慮移動自助抄表平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)和功能。

4.7 其他系統(tǒng)管理功能
（1）管網(wǎng)圖形化定義
節(jié)點信息應(yīng)可以靈活、自由地進行配置，對操作權(quán)限進行設(shè)置，保證數(shù)據(jù)復雜應(yīng)用中的可用性和適應(yīng)性。
（2）工作即時提醒
系統(tǒng)具備瀏覽器方式下的信息提醒機制。有新的信息時，以文字或聲音的方式對用戶進行提示。
（3）人員權(quán)限集中設(shè)置
可根據(jù)部門和崗位職責劃分成不同用戶群，從業(yè)務(wù)需求和使用權(quán)限上進行分類。


6 技術(shù)參數(shù)介紹
6.1 低功耗通訊基站
基站規(guī)格：
1、基站與終端通訊方式：LoRa
2、基站與服務(wù)器通訊方式：接入校園以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸不通過運營商網(wǎng)絡(luò)。
3、基站支持在線配置
4、單基站管理節(jié)點數(shù)量：不少于2000
5、支持多終端通訊避讓機制
6、支持時鐘同步
7、支持終端參數(shù)配置
8、支持電量監(jiān)測、工作狀態(tài)上報
9、基站支持遠程升級操作
10、數(shù)據(jù)加密傳輸，支持秘鑰設(shè)置和身份認證
11、信號傳輸半徑：大于2000m（市區(qū)環(huán)境）
12、供電方式：交流220V
13、工作溫度范圍：-40℃～+85 ℃
天線規(guī)格：
1、輻射方向：全向天線
2、頻率范圍：470-490MHz
3、增益：5.0dBi
6.2 低功耗通訊中繼站
中繼站規(guī)格：
1、中繼與終端通訊方式：LoRa
2、支持信道配置
3、單中繼站管理節(jié)點數(shù)量：不少于2000
4、支持多終端通訊避讓機制
5、支持時鐘同步
6、支持終端參數(shù)配置
7、數(shù)據(jù)加密傳輸，支持秘鑰設(shè)置和身份認證
8、信號傳輸半徑：大于2000m（市區(qū)環(huán)境）
9、供電方式：交流220V或直流3.8V
10、支持電池電量監(jiān)測、工作狀態(tài)上報
11、工作溫度范圍：-40℃～+85℃
天線規(guī)格：
1、輻射方向：全向天線
2、頻率范圍：470-490MHz
3、增益：5.0dBi
6.3 低功耗遠傳終端
通訊模塊規(guī)格：
1、終端與基站通訊方式：LoRa
2、支持在線配置
3、數(shù)據(jù)加密傳輸，支持秘鑰設(shè)置和身份認證
4、信號傳輸半徑：大于2000米（市區(qū)環(huán)境）
5、電池容量：大于3000mAh
6、電池使用時間：2年
7、工作電流：<300mA
8、靈敏度：-139dBm
9、工作溫度范圍：-40℃～+85 ℃
天線規(guī)格：
1、輻射方向：全向天線
2、頻率范圍：470-490MHz
3、增益：4.0dBi

6.4 便攜式終端調(diào)試儀
1、調(diào)試儀與基站/終端通訊方式：LoRa
2、調(diào)試儀與手機通訊方式：藍牙
3、支持終端參數(shù)配置
4、支持多終端通訊避讓機制
5、支持時鐘同步
6、數(shù)據(jù)加密傳輸，支持秘鑰設(shè)置
7、供電方式：3.8V可充電電池
8、工作溫度范圍：-20℃～+45℃

6.5 數(shù)據(jù)采集器
1、采用Cortex-M3 MCU(128KB SRAM)和2MB Flash
2、支持基站接入?yún)f(xié)議和報文自動上報
3、采用實時操作系統(tǒng)
4、支持TCP/IP/Telnet /Modbus TCP協(xié)議
5、支持串口轉(zhuǎn)10/100M 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸
6、支持10/100M以太網(wǎng)自適應(yīng)
7、支持數(shù)據(jù)SSL/AES/DES3安全加密配置
8、支持網(wǎng)頁OTA升級
9、供電方式：交流220V
10、工作溫度范圍： -40℃～+85℃