關(guān)于基于LoRa的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化、城市居民住宅建設(shè)和農(nóng)村小城鎮(zhèn)建設(shè)的日益發(fā)展，獨(dú)立電能表數(shù)量迅速增多，抄表計(jì)量也日趨復(fù)雜。傳統(tǒng)的人工電力抄表方式已不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需求，遠(yuǎn)程抄表已成為智能電網(wǎng)中重要的組成部分。近年來，利用ZigBee技術(shù)構(gòu)造的無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的技術(shù)水平有了長足的進(jìn)步[1]，但是ZigBee只適用于近距離傳輸，最遠(yuǎn)通信距離為100 m，且ZigBee網(wǎng)絡(luò)很容易產(chǎn)生同頻干擾，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；在實(shí)際應(yīng)用中由于電能表安裝的物理范圍廣而且有些地區(qū)遮擋物較為嚴(yán)重等問題，不能將電能表數(shù)據(jù)全部抄回。為解決上述問題，本文提出了一種基于LoRa的新型遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，該抄表系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)、功耗低[2]，能很好地滿足無線智能抄表系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)通過中繼器將無線信號(hào)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)[3-4]，建立有效、快捷且可靠的路由路徑，最終將電能表數(shù)據(jù)抄讀回來?；赟X1278的LoRa是一種新型無線通信技術(shù)，它利用了先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和編解碼方案，增加了鏈路預(yù)算，具有更好的抗干擾性[5-6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于LoRa的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由路由模塊、中繼器、電能表組成。路由模塊對(duì)電能表集中管理，并且負(fù)責(zé)對(duì)電能表的數(shù)據(jù)抄讀；中繼器負(fù)責(zé)為電能表中繼無線信號(hào)；電能表為系統(tǒng)的從設(shè)備，也是中心設(shè)備，所有其他設(shè)備最終都是為了抄讀電能表的計(jì)量數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于電能表安裝的物理范圍廣，必然存在直抄近端區(qū)及中繼遠(yuǎn)端區(qū)這兩種情況。對(duì)于直抄近端區(qū)，可以通過無線模塊直接抄讀；對(duì)于中繼遠(yuǎn)端區(qū)，需要通過中繼器進(jìn)行無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

基于LoRa的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)為主從式，由路由模塊集中管理中繼器、電能表。在這里把網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分成兩部分：路徑探測(cè)請(qǐng)求流程和路徑探測(cè)響應(yīng)流程。路徑探測(cè)請(qǐng)求流程由路由模塊發(fā)起，采用洪泛廣播的方式傳輸，中繼器在接收到路徑探測(cè)請(qǐng)求幀后，根據(jù)其內(nèi)容進(jìn)行選擇性中繼轉(zhuǎn)發(fā)，最終中繼至表端，這也就是請(qǐng)求抄表的過程，通過路徑探測(cè)請(qǐng)求流程來尋找抄表的路徑。路徑探測(cè)響應(yīng)流程由末端中繼器發(fā)起，中繼器在接收到表端的路徑探測(cè)響應(yīng)幀后，根據(jù)自身存儲(chǔ)的中繼路徑構(gòu)建路徑探測(cè)響應(yīng)幀回傳給路由模塊，采用單播的方式傳輸，一旦路由模塊接收到路徑探測(cè)響應(yīng)幀，就可以確定該路徑能夠?qū)崿F(xiàn)抄表。

2 SX1278

SX1278是LoRa射頻部分的核心芯片，它集成規(guī)模小、效率高,工作頻段為137～525 MHz[7]。LoRa是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)的一種，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。當(dāng)SX1278工作在LoRa模式時(shí)，能獲得超過-148 dBm的高靈敏度[8]。SX1278部分關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1 SX1278芯片及外圍電路

SX1278芯片及外圍電路圖如圖2所示。射頻收發(fā)芯片SX1278通過SPI接口以及RF_DIO1~RF_DIO3與MCU進(jìn)行信號(hào)傳輸。

2.2 天線端口電路

該部分電路包含射頻信號(hào)的收發(fā)切換控制以及天線的兩種兼容接口（IPEX座接口和彈簧天線接口），L3、C14、C15組成π型匹配網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)天線的匹配，具體電路圖如圖3所示。

3 路徑探測(cè)流程

路徑探測(cè)是指路由模塊、中繼器、表端的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為后續(xù)的集中器抄表提供通信路徑。

3.1 路徑探測(cè)請(qǐng)求流程

路由模塊在發(fā)起對(duì)某個(gè)表端模塊的路徑探測(cè)后，先設(shè)定路徑探測(cè)超時(shí)定時(shí)器，然后等待子節(jié)點(diǎn)對(duì)路徑探測(cè)請(qǐng)求幀的中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及路徑探測(cè)請(qǐng)求的響應(yīng)處理[9]；中繼器對(duì)路徑探測(cè)請(qǐng)求幀進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，各中繼器在中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)遵循時(shí)隙同步原則[10]，在一個(gè)有效的時(shí)隙周期內(nèi)只對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)的同一目標(biāo)地址的路徑探測(cè)請(qǐng)求幀轉(zhuǎn)發(fā)一次，對(duì)于在該時(shí)隙周期內(nèi)接收到多條相同目標(biāo)地址的路徑探測(cè)請(qǐng)求幀，中繼器可以保存3條記錄，以作路徑探測(cè)響應(yīng)幀使用，流程框圖如圖4所示。

3.2 路徑探測(cè)響應(yīng)流程

中繼器在接收到表端模塊發(fā)送的路徑探測(cè)響應(yīng)幀后，根據(jù)路徑探測(cè)請(qǐng)求流程記錄的該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的中繼路徑進(jìn)行依次轉(zhuǎn)發(fā)，在此轉(zhuǎn)發(fā)過程中不啟用時(shí)隙同步流程，作單條命令固定時(shí)間間隔延時(shí)，路由模塊在接收到路徑探測(cè)響應(yīng)幀后，選擇存儲(chǔ)中繼路徑，用以后續(xù)的抄表使用，流程框圖如圖5所示。

4 各路徑探測(cè)命令幀解析

在進(jìn)行路徑探測(cè)的過程中需要發(fā)送一些探測(cè)命令幀，發(fā)送探測(cè)命令幀的過程就是尋找路徑的過程，通過探測(cè)命令幀的回復(fù)可以確定該路徑是否能實(shí)現(xiàn)抄表。在本文的設(shè)計(jì)中提出的探測(cè)命令幀有4種：發(fā)起路徑探測(cè)請(qǐng)求幀、中繼路徑探測(cè)請(qǐng)求幀、發(fā)起路徑探測(cè)響應(yīng)幀、中繼路徑探測(cè)響應(yīng)幀。

4.1 發(fā)起路徑探測(cè)請(qǐng)求幀

在發(fā)起路徑探測(cè)請(qǐng)求幀之前首先要確定路由探測(cè)請(qǐng)求幀的各項(xiàng)參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(S)、時(shí)隙號(hào)、允許中繼次數(shù)(DM)、當(dāng)前中繼次數(shù)（DC），這些參數(shù)的確定在路徑探測(cè)過程中是較為重要的。確定新建網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模就是確定中繼器的個(gè)數(shù)，假設(shè)系統(tǒng)所有表檔案數(shù)為300，其中10%的表端需要安裝中繼器來完成信號(hào)的中繼，則中繼個(gè)數(shù)為31，即S=31。將一個(gè)超幀中的時(shí)隙總數(shù)NS設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，即NS=S。中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙號(hào)設(shè)置為0。允許的中繼次數(shù)是指路由模塊需要探測(cè)表端的n級(jí)中繼路徑，路由模塊在發(fā)送完路徑探測(cè)請(qǐng)求幀命令后，等待一個(gè)RT來判斷是否探測(cè)成功。

式中BS是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙時(shí)間為，300 ms；ST是發(fā)送路徑探測(cè)命令消耗時(shí)間；IT是指當(dāng)前中繼器記錄多條路徑時(shí)，發(fā)送每條路徑探測(cè)命令響應(yīng)幀的間隔時(shí)間。對(duì)于當(dāng)前中繼次數(shù)（DC），每中繼一次DC加1。

4.2 中繼路徑探測(cè)請(qǐng)求幀

中繼器在接收到中繼路徑探測(cè)命令后，根據(jù)探測(cè)命令的參數(shù)來判斷是否繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，中繼器可并行處理3個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)、不同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑探測(cè)命令請(qǐng)求幀，每條命令處理流程獨(dú)立進(jìn)行，互不影響。在處理前首先要檢查該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑探測(cè)請(qǐng)求幀是否已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)、當(dāng)前的中繼次數(shù)是否大于允許中繼次數(shù)以及命令幀中的中繼列表是否已經(jīng)包含自己。處理流程圖如圖6所示。

在圖6中涉及發(fā)送時(shí)隙的計(jì)算，發(fā)送時(shí)隙的計(jì)算會(huì)因不同節(jié)點(diǎn)發(fā)出的路徑探測(cè)命令而不同。

若接收到的為中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出的路徑探測(cè)命令，則：

4.3 發(fā)起路徑探測(cè)響應(yīng)幀

中繼器在接收到表端模塊的路徑探測(cè)請(qǐng)求幀的響應(yīng)命令后，發(fā)起路徑探測(cè)響應(yīng)命令，其流程圖如圖7所示。

在圖7中若查詢到記錄有路徑探測(cè)請(qǐng)求幀，則選擇記錄的最優(yōu)路徑構(gòu)建路徑探測(cè)響應(yīng)幀，然后將選擇的路徑探測(cè)命令進(jìn)行反向傳輸，填充下行報(bào)文，中繼最大級(jí)數(shù)為上行報(bào)文的中繼列表數(shù)，當(dāng)前中繼索引等于中繼最大級(jí)數(shù)。

4.4 中繼路徑探測(cè)響應(yīng)幀

中繼器在接收到路徑探測(cè)響應(yīng)幀后，檢查路徑探測(cè)響應(yīng)幀中的上行報(bào)文的中繼列表地址，判斷當(dāng)前中繼索引對(duì)應(yīng)的中繼地址是否為本中繼器地址，然后根據(jù)中繼列表計(jì)算下一級(jí)中繼地址，填充下行報(bào)文信息，轉(zhuǎn)發(fā)給下一級(jí)中繼器。

5 抄表流程設(shè)計(jì)

集中器下發(fā)對(duì)單個(gè)表端的抄表命令后，路由首先判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是不是在檔案中存在，沒有則返回否認(rèn)幀，依次用存放的路徑去抄讀，直到抄到數(shù)據(jù)或者路徑全部用完為止，流程圖如圖8所示。如果所有的路徑都用完后還沒有抄到數(shù)據(jù)，則不再探測(cè)新的路徑，直接返回否認(rèn)幀。

6 數(shù)據(jù)分析

為了測(cè)試該路徑探測(cè)方法的有效性，對(duì)公司園區(qū)內(nèi)500個(gè)電表進(jìn)行了大量組網(wǎng)測(cè)試。表2是窄帶載波和LoRa兩種不同組網(wǎng)機(jī)制在同一組網(wǎng)環(huán)境下的組網(wǎng)時(shí)間和中繼深度。

表3是基于LoRa的路徑探測(cè)方法在園區(qū)內(nèi)的組網(wǎng)結(jié)果，可以看出網(wǎng)絡(luò)的最大中繼深度為3級(jí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直抄回的電表數(shù)量為342個(gè)，一級(jí)中繼抄回的電表數(shù)量為83個(gè)，二級(jí)中繼抄回的電表數(shù)為52個(gè)，三級(jí)中繼抄回的電表數(shù)為23個(gè)，園區(qū)內(nèi)的500個(gè)電表都能抄回。

從表2、表3可以得出，該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度也低于窄帶載波，組網(wǎng)范圍廣，組網(wǎng)穩(wěn)定，抄表率也高。

7 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的基于SX1278的新型遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功耗低，組網(wǎng)速度快，能以較小的中繼深度完成組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度低，能有效解決電能表安裝物理范圍廣或地區(qū)遮擋物較為嚴(yán)重時(shí)數(shù)據(jù)不能抄讀的問題。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于抄表行業(yè)中，這對(duì)于將LoRa技術(shù)廣泛應(yīng)用于抄表行業(yè)打下了基礎(chǔ)，具有良好的實(shí)用價(jià)值。