文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.175009
中文引用格式: 肖思琪,全惠敏,鐘曉先. 基于LoRa的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(6):31-34,38.
英文引用格式: Xiao Siqi,Quan Huimin,Zhong Xiaoxian. Design and implementation of remote meter reading system based on LoRa[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(6):31-34,38.
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?;?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/SX1278" title="SX1278" target="_blank">SX1278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。路由模塊對電能表集中管理,并且負(fù)責(zé)對電能表的數(shù)據(jù)抄讀;中繼器負(fù)責(zé)為電能表中繼無線信號;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。對于直抄近端區(qū),可以通過無線模塊直接抄讀;對于中繼遠(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:路徑探測請求流程和路徑探測響應(yīng)流程。路徑探測請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請求幀后,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,這也就是請求抄表的過程,通過路徑探測請求流程來尋找抄表的路徑。路徑探測響應(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響應(yīng)幀后,根據(jù)自身存儲的中繼路徑構(gòu)建路徑探測響應(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)行信號傳輸。
2.2 天線端口電路
該部分電路包含射頻信號的收發(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),用于對天線的匹配,具體電路圖如圖3所示。
3 路徑探測流程
路徑探測是指路由模塊、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 路徑探測請求流程
路由模塊在發(fā)起對某個(gè)表端模塊的路徑探測后,先設(shè)定路徑探測超時(shí)定時(shí)器,然后等待子節(jié)點(diǎn)對路徑探測請求幀的中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及路徑探測請求的響應(yīng)處理[9];中繼器對路徑探測請求幀進(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)只對同一網(wǎng)絡(luò)的同一目標(biāo)地址的路徑探測請求幀轉(zhuǎn)發(fā)一次,對于在該時(shí)隙周期內(nèi)接收到多條相同目標(biāo)地址的路徑探測請求幀,中繼器可以保存3條記錄,以作路徑探測響應(yīng)幀使用,流程框圖如圖4所示。
3.2 路徑探測響應(yīng)流程
中繼器在接收到表端模塊發(fā)送的路徑探測響應(yīng)幀后,根據(jù)路徑探測請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響應(yīng)幀后,選擇存儲中繼路徑,用以后續(xù)的抄表使用,流程框圖如圖5所示。
4 各路徑探測命令幀解析
在進(jìn)行路徑探測的過程中需要發(fā)送一些探測命令幀,發(fā)送探測命令幀的過程就是尋找路徑的過程,通過探測命令幀的回復(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)中提出的探測命令幀有4種:發(fā)起路徑探測請求幀、中繼路徑探測請求幀、發(fā)起路徑探測響應(yīng)幀、中繼路徑探測響應(yīng)幀。
4.1 發(fā)起路徑探測請求幀
在發(fā)起路徑探測請求幀之前首先要確定路由探測請求幀的各項(xiàng)參數(shù):網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(S)、時(shí)隙號、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)隙號設(shè)置為0。允許的中繼次數(shù)是指路由模塊需要探測表端的n級中繼路徑,路由模塊在發(fā)送完路徑探測請求幀命令后,等待一個(gè)RT來判斷是否探測成功。
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)送每條路徑探測命令響應(yīng)幀的間隔時(shí)間。對于當(dāng)前中繼次數(shù)(DC),每中繼一次DC加1。
4.2 中繼路徑探測請求幀
中繼器在接收到中繼路徑探測命令后,根據(jù)探測命令的參數(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)的路徑探測命令請求幀,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)的路徑探測請求幀是否已經(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)算會因不同節(jié)點(diǎn)發(fā)出的路徑探測命令而不同。
若接收到的為中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出的路徑探測命令,則:
4.3 發(fā)起路徑探測響應(yīng)幀
中繼器在接收到表端模塊的路徑探測請求幀的響應(yīng)命令后,發(fā)起路徑探測響應(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請求幀,則選擇記錄的最優(yōu)路徑構(gòu)建路徑探測響應(yīng)幀,然后將選擇的路徑探測命令進(jìn)行反向傳輸,填充下行報(bào)文,中繼最大級數(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數(shù)。
4.4 中繼路徑探測響應(yīng)幀
中繼器在接收到路徑探測響應(yīng)幀后,檢查路徑探測響應(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)算下一級中繼地址,填充下行報(bào)文信息,轉(zhuǎn)發(fā)給下一級中繼器。
5 抄表流程設(shè)計(jì)
集中器下發(fā)對單個(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),則不再探測新的路徑,直接返回否認(rèn)幀。
6 數(shù)據(jù)分析
為了測試該路徑探測方法的有效性,對公司園區(qū)內(nèi)500個(gè)電表進(jìn)行了大量組網(wǎng)測試。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,點(diǎn)對點(diǎn)直抄回的電表數(shù)量為342個(gè),一級中繼抄回的電表數(shù)量為83個(gè),二級中繼抄回的電表數(shù)為52個(gè),三級中繼抄回的電表數(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。
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作者信息:
肖思琪1,2,全惠敏1,鐘曉先2
(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙410000;2.珠海中慧微電子股份有限公司 通訊產(chǎn)品線,廣東 珠海519000)