安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘要：以L(fǎng)oRa為代表的低功耗、遠距離網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的出現，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)復雜組網(wǎng)和高功耗的難題。為進(jìn)一步降低基于LoRaWAN的無(wú)線(xiàn)抄表系統的功耗，同時(shí)針對ZigBee、紅外等無(wú)線(xiàn)技術(shù)在抄表方案中存在通信距離短、抗力弱的缺陷，通過(guò)對LoRaWAN無(wú)線(xiàn)標準協(xié)議的研究，將MCU系統和LoRa技術(shù)相結合，設計了一種基于LoRaWAN無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的智能抄表系統。首先介紹無(wú)線(xiàn)抄表系統的硬件組成和功能模塊的作用，其次介紹節點(diǎn)軟件設計過(guò)程，得出結論，該系統實(shí)現了降低功耗的作用。

關(guān)鍵詞: LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；遠距離；LoRaWAN

 

       低功耗廣域網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)接入新技術(shù)，具有低功耗、網(wǎng)絡(luò )擴展性強、通信距離遠等優(yōu)點(diǎn)。LoRa（Long Range）作為一種非頻譜的LPWAN無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以廣覆蓋、低功耗等特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。LoRa是一種由LoRa聯(lián)盟推出的遠距離通信系統，主要包含物理層和MAC層（即LoRaWAN），如圖1所示。

圖1 LoRa層結構

       LoRa物理層采用線(xiàn)性調頻技術(shù)（CSS，Chirp Spread Spectrum），適用于遠距離、低功耗、低吞吐量的通信。LoRaWAN由LoRa聯(lián)盟發(fā)布，是一種基于開(kāi)源的電信級MAC層協(xié)議。LoRa是一項私有技術(shù)，工作在未頻段，使用免費的ISM頻譜，具體頻段及規范因地區而異。LoRa作為非頻譜LPWAN技術(shù)典型代表，有廣泛的應用場(chǎng)景，如太陽(yáng)能路燈照明管理系統、遠距離無(wú)線(xiàn)抄表系統等。隨著(zhù)智慧城市的發(fā)展，遠距離無(wú)線(xiàn)抄表技術(shù)將在智能抄表應用中起到非常重要的作用。終端儀表由于無(wú)法保證持續的外部電能供應，只能依靠電池供能，所以在運行過(guò)程中盡可能降低平均功耗，才可以保證不間斷的長(cháng)期工作。顯然，只降低發(fā)射機的發(fā)射功率，或者只降低接收機的功耗電流是不現實(shí)的。這種方法的效果不但不明顯，還會(huì )帶來(lái)通信質(zhì)量下降的惡劣后果。在現有的無(wú)線(xiàn)抄表系統中，當通信設備不工作于發(fā)射或接收模式時(shí)，使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，是降低平均功耗有效的方法。當集中器或網(wǎng)關(guān)需要和某個(gè)終端儀表通信時(shí)，處于休眠狀態(tài)的終端設備將被喚醒，轉換成發(fā)射或接收模式，實(shí)現交換數據的功能。

 

       LoRaWAN主要包含三個(gè)部分：節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器。節點(diǎn)負責數據的采集，將采集的數據打包上傳給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負責數據包的轉發(fā)，包括將節點(diǎn)上傳的數據轉發(fā)給服務(wù)器和將服務(wù)器的下行命令轉發(fā)給節點(diǎn)。服務(wù)器負責數據解析和下發(fā)控制命令。整體結構如圖2所示：本文設計的低功耗無(wú)線(xiàn)通信系統包含一個(gè)命令下發(fā)設備（服務(wù)器）、一個(gè)命令數據中轉設備（網(wǎng)關(guān)）和若干個(gè)終端設備（節點(diǎn)）。

圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )模型

 

       在系統正常運行的狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)使用市電供電；由于節點(diǎn)所處的位置不，環(huán)境復雜多變，無(wú)法保證使用市電進(jìn)行供電，因此只能使用電池供電。為了維持節點(diǎn)的長(cháng)時(shí)間穩定工作，就需要在盡可能長(cháng)的時(shí)間內處于低功耗模式。節點(diǎn)在低功耗模式下只能被動(dòng)接收數據，不能主動(dòng)發(fā)送數據。一旦節點(diǎn)被喚醒，處于正常的工作狀態(tài)，就可以接收和發(fā)送數據。服務(wù)器的主要功能是給網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制命令，網(wǎng)關(guān)的主要功能是喚醒節點(diǎn)并且轉發(fā)服務(wù)器下發(fā)的控制命令，并上傳節點(diǎn)的數據給服務(wù)器。當集中器給某終端設備發(fā)送數據時(shí)，首先需要將處于睡眠狀態(tài)的終端設備喚醒，再進(jìn)行通信。終端表設備接收到喚醒幀后，通過(guò)判斷喚醒幀中的終端地址是否與該終端設備的地址相同，來(lái)決定此終端表設備是否準備開(kāi)啟接收模式。如果喚醒幀中的終端地址與該終端表地址不相同，則丟棄此喚醒幀，終端表設備繼續處于低功耗模式，開(kāi)啟周期性檢測信道空閑功能。如果相同，終端表設備會(huì )根據喚醒幀中的時(shí)間標簽在低功耗模式下進(jìn)行一段時(shí)間的延時(shí)，當延時(shí)時(shí)間結束，立刻開(kāi)啟接收模式。

 

       硬件包含網(wǎng)關(guān)與節點(diǎn)，采用意法半導體公司基于Cortex M3內核的32位高性能超低功耗微控制器STM32F103作為網(wǎng)關(guān)，該芯片工作頻率可達72MHz，具有512KB的閃存以及高速SRAM，性能強勁，實(shí)時(shí)性好。同時(shí)該芯片有睡眠模式、停止模式和待機模式3種低功耗工作模式，以及創(chuàng )新型自主動(dòng)態(tài)電壓調節功能，方便了系統低功耗設計，可以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)抄表的各種需求。網(wǎng)關(guān)需要搭載LoRa芯片以及與服務(wù)器通信的通信模塊。MCU控制單元是智能水表的控制器，起著(zhù)決定性的作用。節點(diǎn)采用低功耗MCU與傳感器、控制器相連，單個(gè)節點(diǎn)只搭載單個(gè)傳感器，電池采用高容量低功率類(lèi)型的電池。設計采用Semtech公司推出的低功耗半雙工高靈敏度的SX1278收發(fā)器作為節點(diǎn)。SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，采用LoRa擴頻調制解調技術(shù)，其傳輸距離遠遠超過(guò)使用FSK等調制解調技術(shù)，能夠降低網(wǎng)絡(luò )部署成本，易于管理和監控。具有傳輸距離遠、信號穿透性強、數據接收和發(fā)送穩定等特點(diǎn)。同時(shí)，SX1278軟件配置具有很大的靈活性，用戶(hù)可通過(guò)程序決定擴頻調制帶寬(BW)、糾錯率(CR)和擴頻因子(SF)。

圖3 硬件總體框圖

 

       無(wú)線(xiàn)通信系統在正常運行時(shí)，首先網(wǎng)關(guān)和節點(diǎn)進(jìn)入到硬件初始化階段，節點(diǎn)完成硬件初始化后進(jìn)入低功耗模式，周期性開(kāi)啟信道空閑檢測。此時(shí)檢測信道是否空閑，如果信道空閑，則此節點(diǎn)繼續處于低功耗模式，周期性開(kāi)啟信道空閑檢測。在某一時(shí)刻由服務(wù)器向網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊下發(fā)抄表命令，網(wǎng)關(guān)接收到抄表命令后進(jìn)行解析，通過(guò)解析后的命令內容生成用來(lái)喚醒特定節點(diǎn)的喚醒幀。網(wǎng)關(guān)會(huì )通過(guò)無(wú)線(xiàn)設備發(fā)送持續一定時(shí)間長(cháng)度的喚醒幀，在此時(shí)間段內，節點(diǎn)將配置成無(wú)線(xiàn)接收模式，接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的喚醒幀。喚醒幀中包含節點(diǎn)地址和時(shí)間標簽，判斷喚醒幀中設備地址是否和此設備地址相同，如果不相同則丟棄此喚醒幀；如果相同，則提取此喚醒幀中的時(shí)間標簽，通過(guò)時(shí)間標簽計算出將此節點(diǎn)切換為低功耗模式的延時(shí)時(shí)長(cháng)，進(jìn)行延時(shí)，一旦延時(shí)時(shí)長(cháng)結束，立刻將此節點(diǎn)配置成無(wú)線(xiàn)接收模式，直至接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令。當接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令后，解析抄表命令，獲取此終端節點(diǎn)的數據，將此數據發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，完成通信過(guò)程。當節點(diǎn)將數據發(fā)送給網(wǎng)關(guān)后，將此節點(diǎn)配置成低功耗模式，周期性開(kāi)啟信道空閑檢測，整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統運行的流程如圖4所示。

圖4 低功耗無(wú)線(xiàn)抄表方法流程圖

 

       如圖5所示，節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)在t0時(shí)刻進(jìn)行硬件初始化，節點(diǎn)在t1、t2、t4、t9時(shí)刻開(kāi)啟信道空閑檢測。而節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊會(huì )通過(guò)RTC時(shí)鐘定時(shí)，周期性開(kāi)啟信道空閑檢測，因此圖中t1-t0=t2-t1=t4-t2=t9-t8。在t0到t1、t1到t2、t2到t4、以及t8到t9的時(shí)間段內，終端設備的無(wú)線(xiàn)模塊都會(huì )處于睡眠模式。

圖5 低功耗無(wú)線(xiàn)抄表方法時(shí)序圖

 

       在t3時(shí)刻時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收到服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的抄表命令，同時(shí)生成喚醒特定節點(diǎn)的喚醒幀，其中包含節點(diǎn)地址和時(shí)間標簽。t3時(shí)刻網(wǎng)關(guān)開(kāi)始發(fā)送喚醒幀，t6時(shí)刻完成喚醒幀的發(fā)送。節點(diǎn)在t4時(shí)刻處于信道空閑檢測模式，因此在t4時(shí)刻特定節點(diǎn)被喚醒，此時(shí)該節點(diǎn)處于無(wú)線(xiàn)接收模式，用來(lái)接收后續網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令。網(wǎng)關(guān)發(fā)送的抄表命令是在t7時(shí)刻，為了降低功耗在t4到t5的時(shí)間區間內使節點(diǎn)處于*低功耗模式（MCU 進(jìn)入Halt模式，無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入睡眠模式）來(lái)降低功耗。若喚醒幀中的時(shí)間標簽值為T(mén)L，時(shí)間標簽值允許的個(gè)數為T(mén)LN，t4到t5的時(shí)間區間長(cháng)度為DST：

       t5時(shí)刻，節點(diǎn)開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)接收模式，t7時(shí)刻節點(diǎn)接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的抄表命令，t8時(shí)刻節點(diǎn)將數據發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，至此完成網(wǎng)關(guān)到節點(diǎn)的通信過(guò)程，通信完成后節點(diǎn)再次進(jìn)入到低功耗模式，并周期性開(kāi)啟信道空閑檢測。至此完成了一次完整的通信過(guò)程。 

 

4.1 系統方案

       系統為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計量箱ADF300L系列，實(shí)現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統功能

       AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預付費電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成系統到表的充值、查詢(xún)、監控、控制及短信報警等功能。

       本系統適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著(zhù)數據公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線(xiàn)支付，總部財務(wù)扎口等復雜的需求。

       遠程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

       水表預付費:可是查看某區域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設置水價(jià)控閥等操作。

       遠程售電:財務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對充值次數，方便快捷。

       能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶(hù)表的能耗、財務(wù)數據、能耗和財務(wù)的期初期末值等數據。

       在線(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微信公眾號實(shí)現在線(xiàn)自助充值水電費，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

       短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶(hù)。

 

 

       遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

 

4.3 產(chǎn)品選型