LoRa应用案例详解——智慧表计

       LoRa具有物联网的DNA,为多种物联网应用提供坚实的技术保障。尤其在高速增长的智慧表计、智慧城市、智慧社区、智慧农业、智慧工业、智慧物流等物联网领域以及一些消费类领域扮演着重要角色。本章将从这些细分垂直领域入手,从项目的需求分析、解决方案、技术实现等方面进行讲述,目的是让读者理解这些应用的由来以及LoRa如何助力这些应用。最终的目的是希望读者可以通过学习本章内容,在自身的项目中选择合适的方案,在碎片化的物联网应用中贡献自己的力量。
 
        本书介绍了LoRa的多种应用在中国的市场占比,其中智慧表计是最大的应用领域。LoRa在智慧表计领域应用的成功也是经历了多年的打磨,到现在已经获得了较大的成功,随之而来的是客户提出的新的更严苛的需求,LoRa的行业伙伴也在继续努力,不断挖掘LoRa的潜力,迎接市场的新挑战。

一、智慧表计的背景及技术

1.市场背景

无线抄表市场能够成为LoRa最大的应用领域主要有如下几个原因:
     (1)从技术的角度看,LoRa具有的超低功耗、超远距离以及网络架设便利的优点都是无线抄表市场最需要的技术。可以说从技术上看完全契合。
     (2)从产品角度看,无线抄表具有很强的一致性,几乎所有的表都是完全一样的,不像智慧城市的应用中有上百种传感器;表计数据格式、唤醒频率都完全相同,这样的产品统一性带来的好处是复制性强,稳定性好;在A城市实施效果和在B城市的实施效果一样,而许多智慧城市项目传感器的供应商就几十家,很难保证质量的一致性。
     (3)从市场角度看,无线抄表有着巨大的市场,中国有14亿居民,每家每户都需要水表、电表和气表。中国的物联网生态发展也非常合适,大量的传统表计更换为智能无线抄表产品。
       LoRa在表计市场的成功是天时地利人和的结果,如果说市场是“天时”,产品是“地利”,那么技术就是“人和”。LoRa技术并非只要安装在智能表计上就可以实现稳定无线抄表,它的成功是无数专业人员多年的研究和探索的结果。并非一种技术有优势就可以成功,而是需要整个产业链的共同努力最终才可以赢得市场,“人和”是最为重要的。

2.早期需求和难点

      1)早期需求                  
       LoRa能够快速进入智能表计领域,是通过技术替代的方式。其实无线抄表的概念很早就被提出了,并且有大量的公司在无线抄表的技术上努力,并取得了一些成果。比如使用无线手持抄表设备靠近无线表时,可以得到表计的数据。这种方案虽然不需要入户上门,仍然需要工作人员走到靠近无线表附近时才能实现抄表。早期智能抄表的需求较为简单,有如下三点:
  • 解决人工抄表上门难问题,抄表智能化、全自动、免维护、无人化;
  • 实时监控可视化,管理精细化;
  • 智能化管网管理,降低管网耗损,降低后期管理维护成本,方便统一管理,通过大数据分析提供更多增值业务。
       2)难点
       由于无线技术的性能受限,早期的无线智能抄表遇到了许多难点:
  • 抄表功耗高,电池支撑表计常年运行困难;
  • 安装环境无法预估,抄表网络覆盖率不够,抄表成功率低;
  • 无标准及规范,无法统一管理;
  • 私有云、私有系统维护困难,成本高昂。
       早期的无线抄表最主要是解决人工的问题,后期提升为精细化管理和数据分析增值服务。而如果要实现这些需求,最主要的是通过低成本的方式实现高效率的抄表。由于FSK技术通信距离和灵敏度受限,早期无线抄表一直被功耗、成功率等问题困扰,很难大范围地开拓市场。

      3.无线抄表方案

       现在LoRa智能抄表常用两种方案,分别是自组网抄表和LoRaWAN网络抄表。
       自组网抄表或者叫作LoRa私有协议网络抄表。基于自组网抄表最早支撑的技术是Sub-1GHz小无线的FSK,前面也提到FSK技术在初期技术上遇到了很大的困难。当2013年LoRa推出后,提高了设备通信距离,行业人士就从原来的FSK转而投向现在的LoRa技术。图9-1所示为LoRa私有协议网络抄表应用中的网状网络拓扑结构,早期的FSK抄表 应用常使用此种网络结构,至今仍有不少LoRa抄表项目依然沿用此网络拓扑结构。不过多数的LoRa抄表应用采用星状网络拓扑结构,其网络拓扑结构与图9-2完全相同,差别为使用的网络协议不同。
        在功能实现上,LoRa自组网采用网关或手持设备与表计形成一个星状或网状网络,其具有以下特点:
LoRa私有协议网络抄表的网络拓扑结构
图9-1     LoRa私有协议网络抄表的网络拓扑结构
  • 私有网络抄表解决了中继、路由安装难、容易受干扰的问题,抄表时间短,实时性高。
  • 私有网络抄表需要配置频率和网络ID,施工有一定的工作量。
  • 私有网络抄表需要自行安装网关,网关再通过2G或4G连接至服务器。
  • 私有网络抄表使用公共频段,容易受到外界干扰。
        LoRaWAN智能抄表从2015年开始在国内逐渐推广。LoRa联盟推出LoRaWAN协议后被行业逐渐认可,虽然现阶段私有协议网络还是占主导地位,但是LoRaWAN网络在智能抄表中发展迅速,其网络拓扑结构如图9-2所示。
LoRaWAN网络抄表的网络拓扑结构
图9-2      LoRaWAN网络抄表的网络拓扑结构
 
       在功能实现上,LoRaWAN标准的表计采取主动上报方式抄表,当然也可以通过手持设备抄表,其特点是:
  • LoRaWAN网络抄表统一标准,施工简单。
  • LoRaWAN网络抄表采取主动上报的方式。
  • LoRaWAN的网络容量大,且带有ADR功能。
  • 在预付费、阀控等下行命令的功能中,LoRaWAN网络抄表对比私有协议实时性稍差。系统中如需要具有下行控制功能,为保证低功耗,一般延迟10~60s,一般采用Class B或异步唤醒方式。
  • 现阶段只能通过增加LoRaWAN的基站来加大覆盖面积。后续可以通过Relay进行补盲。
  • 数据必须送到服务器处理,网关和核心网由第三方有偿提供服务。

二、智慧表计行业分析及对比

1.三表对比

       无线智能表计主要分为智能水表、智能气表、智能电表和智能热表,其中前三个是最重要的,我们称之为“三表”。三表的技术实现和市场准入难度不同。
     (1)从技术难度看,水表大于燃气表大于电表。水表使用场景较恶劣,且对低功耗要求更高;相比之下燃气表的位置信号覆盖更好,且许多燃气表都可以更换电池;电表由于自身带电,不需要考虑太多功耗问题,技术实现相对比较简单,只需要考虑传输距离的问题。
     (2)从市场准入难度角度考虑,在中国电表大于燃气表大于水表。这跟中国的国情相关。电表的准入只有两家电力公司——中国国家电网和中国南方电网,其管理非常严格。而中国的燃气行业也有五大燃气公司——港华燃气、华润燃气、新奥燃气、中油中泰、中国燃气,各地也有一些城市级别的燃气公司,如上海燃气、深圳燃气、重庆燃气等。可以说,中国燃气行业准入的都是大型的公司,虽然不像国网、南网一样巨无霸,但是依然有一定的行业标准。相比之下中国的水司有上千家之多,可能一个城市就有多家供水的水司,所以其采用的抄表方案会大不相同,其准入资质较低。
       在智能表计的产品开发中,一般水表的安装环境最差,但对工业要求反而最高。一个好的产品需要考虑的因素非常多,同时还要考虑现场安装和调试以及网络架设。一套表计应用要做好,必须考虑多个方面,其中包括防水设计、材料选型、量产设备、制造工艺、软件调试等。

2.无线表计核心问题讨论

      智能无线抄表行业经过这几年的发展,对于抄表要求也越来越严格,一个理想的无线抄表产品必须具备如下特征:
  • 一天一抄至少用10年;
  • 抄表成功率接近100%;
  • 表计能实时响应;
  • 少维护、易管理;
  • 低成本;
  • 符合政策规范。
       上述的需求中,功耗、距离、实时性这三个LoRa技术经常讨论的问题又摆在眼前。在第5章我们也讨论这三个要素是无法兼得的,必须寻找最佳的平衡点。在智能抄表中,其重要性是功耗大于距离大于实时性。在保证功耗的前提下,再去寻求更远的距离。在8.1.2小节中,根据弗里斯公式增大输出功率可以获得更远的工作距离,但同时会带来功耗的增加;在2.2.3小节中的香农公式变形中,讨论过可以通过重发,用时间换灵敏度的方式增加工作距离,但重发也会带来功耗的增加。所以在功耗一定的前提下,增加覆盖最好的方式是增加网关或增加中继。同理,实时性和功耗也是相互矛盾的,为了保证功耗,LoRa系统的实时性为秒级响应,5.1.2小节中有关于实时性和功耗的讨论。

3.抄表技术对比

       现阶段市场上主流的三种无线抄表技术为LoRaWAN网络、NB-IoT网络和LoRa自组网。表9-1所示为每天抄表一次的工作模式下三种技术的对比。
表9-1  抄表技术对比
 抄表技术对比
       通过表9-1中可以看到,当使用LoRaWAN不带实时下行控制功能时功耗最低,但是此时的下行控制需要等到上行激活之后才能接收下行指令,实时性很差。NB-IoT在低功耗模式下是不具备实时下行控制能力的,其下行实时性与LoRaWAN不带实时下行的情况相同。当LoRaWAN使用带有实时下行开关闸功能时需要启动ClassB,其功耗会大幅增加。NB-IoT的优势在于网络是运营商管理,用户无须管理和维护网络;缺点是需要月租费且网络覆盖完全依赖运营商,一旦运营商网络覆盖差,则项目无法进行。LoRaWAN网络在欧美等国家有运营商的大网覆盖,具有与NB-IoT技术相同的网络维护和管理特点,同样需要网络服务费。采用自建网络的优势是不需要网络服务费且可以按需布网并扩展其他物联网应用,缺点是需要自己进行网关架设和网络维护。

三、表计市场分析及应用

1.市场规模分析

       智慧表计是现今全球LPWAN中规模最大的应用,且一直保持着较高的增长速度。传统表计的更新换代本身就是一个非常大的数字,再加上智能化和无线抄表的发展趋势,所以持续保持高速增长。其中最主要的还是水表、气表和电表。
1)全球水表市场
       如图9-3所示,全球2017年的新发货量为1.18亿台水表,其中无 线水表约为2800万台,占全年总出货量的23%。无线水表将在2024年占全年总发货量的37%,超过6400万台(预估总量为1.74亿台)。通过图中数据计算可知,无线水表的复合年增长率为12.5%(2017—2024)。截至2019年初,全球水表总计装机量超过10亿台,其中无线水表为1.31亿台,占总量的12.51%。预计2024年全球水表装机量超过12亿台,其中无线水表为4.12亿台,占比为34.5%,无线水表的比重不断提高。
        全球无线水表市场中,亚洲市场(包含大洋洲)占最大市场份额,为59%,北美占20%,EMEA(包含欧洲、中东、非洲)占21%,拉丁美洲占不到1%。亚洲市场中有70%以上来自中国,中国无线水表市场具有非常大的潜力。
全球水表市场
图9-3   全球水表市场(来源:HISMarkit)
 
2)全球气表市场
       根据HISMarkit的市场报告,在2017年的全球气表市场中,总计发货量为5110万台,其中27%为无线气表。全球不同区域的情况为:亚洲为3330万台,其中17%是无线气表;北美为260万台,其中57%为无线气表;EMEA(包含欧洲、中东、非洲)为1380万台,其中48%为无线气表;拉丁美洲为140万台,其中小于2%为无线气表。预计2024年全球气表市场为5880万台,其中34%为无线气表。
       虽然欧洲和北美的无线气表占比较高,但是其每年新增数量却非常小,这是由各地对气表的处理方式不同引起的。在美国市场,气表的平均更换周期较长,并且可以通过增加无线模块对产品升级,所以对无线模块的需求比新气表要多得多。在欧洲,典型的校准操作每4~5年进行一次,而更换新表的周期为15年或者更长,所以同样对新表的需求并不旺盛。
        亚洲市场中,气表的更新换代很快,一般每10年都会更换新的气表,而且更换的气表中,无线气表的比例也在逐渐增大。尤其在中国,大量的新区和新房建造,需要大量的新气表。中国市场是全球无线气表的主要增长点。
3)全球电表市场
        图9-4所示为全球电表市场情况,预计2024年通信电表出货量达到12240万台,基本电表出货量6860万台。这里需要注意的是,通信电表常采用电力载波通信(PowerLineCommunication,PLC)的有线方式或LoRa、FSK等无线方式进行数据通信,也有双模通信电表, 可以同时使用有线和无线的方式进行数据通信。
 全球电表市场
图9-4   全球电表市场
 
       亚洲、欧洲、中东和北美的智能电表需求将保持稳定,欧洲、中东和北美的智能电表需求将大于北美。目前北美通信电表的占比已经很高了。从长远来看,拉丁美洲将保持强劲增长,用智能电表取代基本电表。但每年的总量只有几百万台。亚洲的需求主要来自中国(70%~80%)、日本、印度、印度尼西亚、韩国和大洋洲。
       在中国的通信电表市场中,只有少数的试点采用无线方式,多数采用PLC的有线方式,而东南亚、非洲、南美等地区大量使用LoRa无线 电表。

2.智慧表计应用案例

1)传统表计应用
       图9-5所示为深圳大量使用的LoRa智能水表和LoRa智能气表。国内的许多城市都在部署基于LoRa技术的无线水表和无线气表。
  LoRa水表和LoRa气表在深圳的应用
图9-5     LoRa水表和LoRa气表在深圳的应用
 
2)表计扩展应用
       在智慧表计的应用中,除了现有的以水司和燃气公司为主的LoRa水表和气表市场外,还可以扩展许多表计行业的创新LoRa应用:
  • 中低端住宅市场的电表,包括各种形式的电表,如单相或三相电表,带断路器或不带断路器的电表等;
  • 社区燃气表、电表、水表;
  • 漏水检测;
  • 水质测量:氯、电导率含量等;
  • 水管管理:压力、温度、智能阀门、消防栓等;
  • 家用和燃气设施的二氧化碳和甲烷气体检测;
  • 燃气公用设施用智能阀门,用于安全分配;
  • 矿业和隧道施工中的有毒气体;
  • 管道剖面检测;
  • 供热阀控;
  • 塔架、铁塔倾斜监控;
  • 输电线路故障监控;
  • 配电变电设备状态监控。
3)水务管理扩展应用
       表计的应用还可以再进一步延伸,如电表应用可以延伸到电网管理,智能无线水表的应用可以延伸到智慧水务管理。图9-6所示为智能水务应用方案。
水务管理扩展应用
      图9-6   水务管理扩展应用(见彩插)
 
       从图9-6中可知,在整个生活用水的全生命周期都可使用LoRa无线技术服务,包括水源管理、水厂设备管理、城市供水管网监控、居民用水、商业用水管理以及污水检测等。在整个管理流程中,可以快速发现漏水和故障提前预测等。
4)电网管理扩展应用
       智能电网产品制造商和监控解决方案提供商CAHORSGroup(以下简称CAHORS)已将LoRa器件和LoRaWAN协议集成到其全新的电网线路故障检测解决方案中,以实现智能电网网络中的缺陷监控。
       如图9-7所示,CAHORS把基于LoRa的故障检测传感器安装在输电线支撑杆上。该系统可监控电压场传输,以定位和预测输电线上的故障,包括单相接地故障和多相短时及持续故障监控。传感器实时识别故障,并通过LoRaWAN网络将电能流数据(故障方向)传输给能源网格管理人员。管理人员通过评估故障数据来实现对故障区域的定位,从而对正在发生的故障做出快速响应,同时提高整体电网效率并防止断电。CAHORS公司已经安装了架空高压线路应用中的电网中等电压
(MediumVoltage,MV)网络监控传感器,并利用LoRa器件的远距离和低功耗功能来实时传输故障数据。准确、及时的电网功能数据使客户能够更高效地去检测、定位和处理电网故障,并防止系统故障。
电力线检测
图9-7  电力线检测

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