0  引言

    電能表、水表、燃氣表和熱量表（以下簡稱“民用四表”）是各類能源數(shù)據(jù)采集和計量計費的主要依據(jù)，是能源一體化采集和智能管理的關(guān)鍵設(shè)備。過去由于各業(yè)務(wù)部門一直保持著孤島運轉(zhuǎn)狀態(tài)，相互獨立不連通，但在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，在國家政策的推動下，各系統(tǒng)都應(yīng)朝著集約化方向發(fā)展，避免同功能系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，浪費國家投資。四表合一的難點在前端采集通信部分，選擇一種通信方式能靈活便捷地將大量數(shù)據(jù)融合采集，通信方式應(yīng)該具備足夠的帶寬、抗干擾性、可自組網(wǎng)性及滿足不同品牌設(shè)備的互聯(lián)互通，解決傳統(tǒng)用采通信的大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗發(fā)展的瓶頸。有線通信肯定是無法滿足應(yīng)用需求，從建設(shè)角度出發(fā)就直接排除；無線方式為目前可選方案，但無線技術(shù)層出不窮，有根據(jù)距離劃分的長、中、短距離無線通信方式，有根據(jù)頻段劃分的2G公網(wǎng)、1800M專網(wǎng)、230M專網(wǎng)、470M傳感網(wǎng)，有根據(jù)組網(wǎng)劃分的集中式組網(wǎng)和自組網(wǎng)等，四表合一應(yīng)根據(jù)自身接入環(huán)境、設(shè)備性能、網(wǎng)絡(luò)要求選擇自適應(yīng)的計量通信方式。

1  四表計量通信系統(tǒng)存在的問題

    四類表計在計量通信過程中都會存在各自的問題，由于表計部署位置及采集量的大小都會對通信方式提出要求，下面分析總結(jié)各類表計的發(fā)展瓶頸。

    （1）電表通信性能有待提升

    目前用電信息采集系統(tǒng)的采集覆蓋率已基本達到100%，平均每天能夠采集到的基礎(chǔ)用電信息為1.12 TB，海量的用電信息采集數(shù)據(jù)的源頭是智能電能表，智能電能表的通信速率以及成功率影響著整個用電信息采集系統(tǒng)的運行質(zhì)量。用戶雙向?qū)崟r交互等業(yè)務(wù)的開展也對智能電能表數(shù)據(jù)的吞吐量提出了較高的要求，傳統(tǒng)智能電能表的通信方式已經(jīng)受到了前所未有的挑戰(zhàn)。

    （2）水表通信技術(shù)急需完善

    智能水表的技術(shù)壁壘較高，在無線通信方面，水表的入網(wǎng)無人負責，各類表計、集中器等采集設(shè)備的通信質(zhì)量也難以監(jiān)測；此外，水表自身射頻性能不穩(wěn)定，外部環(huán)境通信頻段資源緊缺，缺少統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)通道，且各企業(yè)生產(chǎn)的水表大多只能與自有的系統(tǒng)相通，無法實現(xiàn)各品牌表計間的互聯(lián)互通，嚴重影響了水表遠傳自動抄表技術(shù)的發(fā)展。

    （3）氣表智能化程度有待提高

    隨著階梯氣價的推廣與實施，傳統(tǒng)以氣量為基礎(chǔ)進行計價的機械表和IC卡預(yù)付表將難以適應(yīng)這一新的計量方式，以金額為基礎(chǔ)計價的IC卡表和互聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表將成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。氣表發(fā)展模式逐步向電表接近。但目前燃氣管網(wǎng)支線建設(shè)過多，不僅增加了企業(yè)的供氣成本，而且由于不同支線建設(shè)廠商不同，嚴重影響了燃氣管道的互聯(lián)互通。因此，應(yīng)進一步優(yōu)化通信網(wǎng)建設(shè)，提升管網(wǎng)運營效率，降低管理成本，實現(xiàn)通信資源的綜合調(diào)配和優(yōu)化配置。

    （4）熱表計自動化水平有待提升

    目前熱量表僅在北方較普及，智能化、自動化水平大都較低，難以滿足用戶對供暖控制的相關(guān)需求，無法實現(xiàn)供熱等級的自主調(diào)節(jié)，應(yīng)以滿足用戶舒適度為出發(fā)點，大幅提升熱量表智能化水平，在提升用戶供暖體驗的基礎(chǔ)上，進一步減少通道建設(shè)資源浪費，實現(xiàn)節(jié)能減排。

    分析了四類表計在智能化、自動化、集約化方面新的需求，要實現(xiàn)功能的多樣化，需采集數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)支撐，應(yīng)提供足夠帶寬的通信通道將數(shù)據(jù)有序上傳。下面通過技術(shù)對比選擇性能更貼近需求的通信方式來實現(xiàn)四表合一計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2  LoRa傳輸性能分析及在用采系統(tǒng)的適用性

    四表融合采集系統(tǒng)類似于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)采集，布點位置零散，數(shù)量龐大，單點數(shù)據(jù)量小，加之電力系統(tǒng)的安全性和時延性要求，長距離無線方式明顯不適用于此應(yīng)用場景，可以排除考慮。剩下的中短距離通信中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)雖然是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首選，但在安全性和抗干擾方面也存在很大風險，尤其頻點在470 MHz左右，是多工業(yè)業(yè)務(wù)共用的頻點，在民用公共場合里會有較多的同頻傳輸干擾。綜合分析后，剩下的物聯(lián)網(wǎng)無線專網(wǎng)就是NB-IoT和LoRa網(wǎng)絡(luò)適合，下面針對兩種通信方式進行簡單的比選。

    LoRa是美國Semtech提出并研究的LPWA技術(shù)，2013年8月發(fā)布了一種新型的基于1 GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（Long Range，簡稱LoRa）的芯片。它使用線性調(diào)頻擴頻空中喚醒技術(shù)，既實現(xiàn)了低功耗特性，又增加了通信距離，通過不同擴頻序列消除碼間干擾。NB-IoT是具有低帶寬、低功耗、遠距離通信、廣覆蓋、海量連接的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是適合企業(yè)部署的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。兩種技術(shù)的優(yōu)略勢比較如表1所示。

    通過表1可知，LoRa的覆蓋距離要比NB-IoT遠一些，抗干擾能力更強，低功耗采用空中喚醒技術(shù)，比縮減數(shù)據(jù)幀更加具有實際意義，針對小區(qū)表計部署復(fù)雜環(huán)境，綜合考慮，LoRa優(yōu)選型更大些。下面針對LoRa典型技術(shù)進行充分研究，深入認識LoRa的技術(shù)優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，大大擴展了系統(tǒng)容量。

    （1）LoRa數(shù)據(jù)包根據(jù)調(diào)制解調(diào)方式分為兩種形式：顯示和隱式。計量系統(tǒng)中為安全性要求選擇隱式方式，主要由前導(dǎo)碼、報頭、有效負載組成。前導(dǎo)碼用于傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)之間的同步，前導(dǎo)碼設(shè)置了最小允許長度和可變長度，可變長度主要用在空中喚醒中。報頭主要包含有效負載的字節(jié)數(shù)、前向糾錯碼率和 CRC 校驗，隱式模式下數(shù)據(jù)包有效負載長度是通過寄存器來決定的。

    （2）LoRa網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用遠距離星型結(jié)構(gòu)，中間通過核心網(wǎng)關(guān)連接，針對節(jié)點位置隱蔽或者與網(wǎng)關(guān)距離太遠的情況，可加中繼進行透傳跳轉(zhuǎn)，實現(xiàn)遠距離大連接。為提升架構(gòu)的靈活性和自愈性，節(jié)點并不與特定的網(wǎng)關(guān)連接，單個網(wǎng)關(guān)理論上可以接收80 000個節(jié)點，某個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)可以被多個網(wǎng)關(guān)接收，當某個網(wǎng)關(guān)失效時，上傳數(shù)據(jù)不會丟失，保障數(shù)據(jù)的完整性，服務(wù)器端可通過時間表來剔除多個網(wǎng)關(guān)發(fā)來的重復(fù)數(shù)據(jù)。

    （3）跳頻技術(shù)是NB技術(shù)缺少的，它能夠在收發(fā)雙方同步的情況下，按照事先約好的跳頻圖案跳轉(zhuǎn)通信頻率。通過廣播形式接收前導(dǎo)碼，首先在信道起始0發(fā)送，完成報頭接收后發(fā)出中斷信號，按照事先約定的頻點到n，報文跳轉(zhuǎn)后，完成一個周期的跳頻流程。后續(xù)繼續(xù)重復(fù)上述過程。調(diào)頻的好處是可以自適應(yīng)選擇信道條件較好的通道，防止各類型傳輸干擾，尤其針對四表合一這種融合數(shù)據(jù)傳輸，碼間干擾或者串擾都會降低數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

    （4）在星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，為了延長電池壽命，終端節(jié)點通常需要喚醒來進行數(shù)據(jù)傳輸。喚醒方式不同，數(shù)據(jù)的傳輸方式也不同，可分為主動喚醒和空中喚醒技術(shù)，四表合一適合采用空中喚醒技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點設(shè)置固定休眠時間，每個周期會主動喚醒一次，自動檢測網(wǎng)關(guān)是否發(fā)送來前導(dǎo)碼。當接收到后，立即喚醒中止休眠期，發(fā)送處理報文數(shù)據(jù)，執(zhí)行完畢后，再次進入休眠周期；當節(jié)點喚醒后沒有檢測到前導(dǎo)碼，為降低時延，立即進入休眠狀態(tài)。

    LoRa網(wǎng)絡(luò)具備的技術(shù)特性、參數(shù)性能更符合四表合一數(shù)據(jù)接入需求，超大連接性能可實現(xiàn)數(shù)量龐大表計覆蓋，空中喚醒功能能降低設(shè)備功耗，跳頻技術(shù)能避除不同表計間數(shù)據(jù)傳輸干擾，并可在復(fù)雜的樓道環(huán)境里優(yōu)選通信通道，可見LoRa技術(shù)各方面都非常適用于四表合一計量應(yīng)用場景中。

3  基于LoRa技術(shù)的四表合一架構(gòu)部署

    四表合一一體化采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，基本選擇以電表用采系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)進行升級改造，每個表計都內(nèi)嵌LoRa無線通信模塊，電表采集方式仍然保持不變，其他三類表計由于數(shù)據(jù)傳輸格式不統(tǒng)一，因此需新裝或換裝通信接口轉(zhuǎn)換器。通信接口轉(zhuǎn)換器下行通過LoRa無線與水氣熱表通信，上行同樣采用LoRa與采集器通信。上下行保持一致的通信方式簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且縮短了技術(shù)切換時間。

    架構(gòu)分為4層，即終端層、采集層、傳輸層、主站層，通信的重點在本地采集層和遠端傳送層。本地化通信都是采用LoRa技術(shù)，因此本地化終端中都需內(nèi)嵌LoRa無線模塊，或者采用獨立CPE方式外掛也可以，尤其針對一些設(shè)備無法互聯(lián)互通的，只能通過外掛形式接入到無線網(wǎng)絡(luò)中，需加載無線模塊的有四表、轉(zhuǎn)換器、采集器、集中器。除此之外，轉(zhuǎn)換器和采集器類似于網(wǎng)絡(luò)中繼，形成網(wǎng)絡(luò)拉遠多跳，將較封閉的表計業(yè)務(wù)也能延伸傳輸。集中器是本地化通信的核心，類似于LoRa網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)，具備對下屬節(jié)點的靈活管控，集中器除了接收本區(qū)域內(nèi)的表計，還可接收鄰區(qū)表計數(shù)據(jù)。LoRa帶寬大，用采數(shù)據(jù)量小，為保障數(shù)據(jù)完整性，可重復(fù)接收同樣的數(shù)據(jù)。在四表合一管控主站會對同一區(qū)域內(nèi)表計節(jié)點進行分區(qū)，設(shè)置成不同頻道，在不同頻點上無線傳輸，降低碼間相互干擾。新加入的表計節(jié)點會設(shè)置初始網(wǎng)絡(luò)數(shù)，集中器會向下廣播自身的網(wǎng)絡(luò)數(shù)，表計對比后，如果一致則主動加入網(wǎng)絡(luò)，否則自動拋棄。LoRa還具備監(jiān)聽射頻空中信道功能，在硬件上增加了無線防碰撞機制，有效解決了周圍其他無線系統(tǒng)同頻干擾問題，尤其對小區(qū)住戶密集的場景，能體現(xiàn)出其較好的優(yōu)勢。

    集中器中安裝有下行和上行的通信模塊，相互獨立，互不干擾，并可通過驅(qū)動程序進行快速軟切換，切換時延幾乎為0。集中器上行遠傳系統(tǒng)承載在電力無線專網(wǎng)上，四表數(shù)據(jù)融合傳輸?shù)胶笈_主站，主站間的互聯(lián)互通實現(xiàn)其他三類業(yè)務(wù)的分發(fā)和傳輸。主站網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、云平臺服務(wù)器集群、應(yīng)用服務(wù)器集群、統(tǒng)一接口平臺服務(wù)器集群、前置通信服務(wù)器集群（包括通信前置機服務(wù)器、通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、負載均衡器等）、防火墻設(shè)備以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間利用防火墻及安全隔離裝置進行安全防護，保障數(shù)據(jù)間的串擾和完整。

4  LoRa通信模塊軟硬件組成

    要實現(xiàn)以上基于LoRa的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，核心部件在于通信模塊，本節(jié)重點研究LoRa通信模塊軟硬件組成及功能實現(xiàn)。系統(tǒng)運行圖如圖2所示，該系統(tǒng)以集中器為中心，構(gòu)建自上而下的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，采集器和轉(zhuǎn)換器作為本地數(shù)據(jù)采集設(shè)備，下行具有M-BUS總線、RS485總線、各種其他無線等通信方式，能對電、水、氣、熱表各數(shù)據(jù)節(jié)點進行實時采集，同時可用紅外、USB等接口進行本地維護。

    通信模塊是一個嵌入式產(chǎn)品，需要軟硬件協(xié)同工作，軟件工作于硬件之上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。硬件結(jié)構(gòu)主要由控制模塊（MCU）、本地通信模塊LoRa無線、電源轉(zhuǎn)換模塊（AC-DC、DC-DC）、存儲、時鐘、紅外接口、顯示模塊（LED）、載波接口、RS485總線、M-BUS總線主機、M-BUS總線從機、USB和秒脈沖輸出組成。MCU主控芯片選擇的是ARM 64位微處理器，能夠滿足四表采集所需內(nèi)存空間，具有高速可擦寫SDRAM模塊，MCU設(shè)置睡眠、監(jiān)聽和運行3種模式，進一步降低運行功耗。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    硬件接收電壓設(shè)置為22 V≤V_mark≤42 V，發(fā)送電流設(shè)置為I_mark+11 mA≤I_space≤I_mark+20 mA，輸入電壓(V_B1-V_B2) 為±50 V，I_bus為1.32 mA，波特率最大為38 400 b/s，接收電壓為22 V≤V_mark≤42 V，10 V≤ΔV≤12 V，發(fā)送電流為12.5 mA≤ΔI≤18 mA，運行溫度為-40℃ ~-85℃。為保障設(shè)備的可擴展性和網(wǎng)絡(luò)兼容性，硬件設(shè)置多種拓展接口，可隨時加載模塊而接入其他網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)和中繼器在接口側(cè)有很大的不同，上下行連接的設(shè)備位置和性質(zhì)不一致，可靈活配置對外接口，并且中繼器僅僅是透傳功能，無需存儲或緩存，因此電表和中繼的通信模塊更加簡約。

    本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用實時操作系統(tǒng)，它以任務(wù)調(diào)度機制為核心，采集節(jié)點采用休眠－喚醒－休眠的循環(huán)工作模式，有效降低了系統(tǒng)功耗。軟件協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)通道層和應(yīng)用層，重點在數(shù)據(jù)通道層，實現(xiàn)協(xié)議解析、插入檢測、緩沖功能、時鐘對時、遠程升級、參數(shù)設(shè)置等，下面對幾個典型的軟件模塊進行詳細說明。

    （1）上行協(xié)議解析

    采集器支持接收多種上行協(xié)議幀，會根據(jù)不同端口來的協(xié)議幀進行相應(yīng)處理，包括DL/T645協(xié)議、擴展DL/T645協(xié)議、擴展Q/GDW376.2、寬帶模塊協(xié)議，如圖4所示。

    （2）下行協(xié)議解析

    通過解析上行幀645幀，判斷其是水、氣、熱數(shù)據(jù)采集188幀或全透明封包幀或電能表數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)幀，如圖5所示。

    通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和解析，才能實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的融合傳輸，將其他三類表計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)在通道中協(xié)同傳輸，便于物理層、鏈路層的分幀、分包傳輸，鏈路兩端設(shè)備能統(tǒng)一解析和識別。

5  測試

    為了驗證基于LoRa技術(shù)的抄表系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，進行大量的試驗測試，并對測試數(shù)據(jù)進行了詳細的篩選與統(tǒng)計，現(xiàn)將目前測試數(shù)據(jù)匯總?cè)缦隆?/p>

    （1）速率測試

    通過利用路測工具，模擬信號源發(fā)送上下行數(shù)據(jù)，讀取截取終端接收和發(fā)送信號的強度，并進行轉(zhuǎn)換，獲得上行速率10.543 kb/s，下行速率15.765 kb/s，符合理論值要求。

    （2）時延測試

    設(shè)置初始條件，下行編碼速率等級5，上行編碼速率等級9，包大小128 B，測量10次接收時間并取平均，下行時延1.25 s，上行時延1.75 s。

    （3）抄表成功率測試

    測試了點抄過程，對一次抄表成功率進行了統(tǒng)計，總共抄了24塊表，6組，一共抄收了1 000次，平均抄收成功率達到99.75%，滿足集抄要求。

    （4）功耗測試

    選擇不同的通信頻段，230 MHz、470 MHz、510 MHz，分別測試各頻段的終端模塊功率損耗，測試結(jié)果分別為1.3、1.4、1.5，可見頻點越高，功耗會相應(yīng)增加。

    通過測試全面驗證了LoRa方案無線覆蓋性能、速率、時延、功耗、可靠性及端到端業(yè)務(wù)上的表現(xiàn)，充分展示了LoRa解決方案優(yōu)勢。

6  結(jié)論

    本文調(diào)研了四表合一應(yīng)用和部署的現(xiàn)狀，分析對比了NB-IoT和LoRa技術(shù)的性能參數(shù)，指出LoRa更加符合四表合一應(yīng)用場景要求。重點研究LoRa跳頻、自組網(wǎng)、空間喚醒等關(guān)鍵技術(shù)如何支撐實際應(yīng)用，如何體現(xiàn)其優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上提出了基于LoRa的四表合一系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，闡述了集約化架構(gòu)融合傳輸?shù)奶攸c，并對通信模塊進行了軟硬件設(shè)計，設(shè)定功能項及實現(xiàn)流程。通過模擬無線信號進行實驗分析，對LoRa 的通信距離和低功耗特性進行了測試，并對抄表覆蓋率及成功率等進行了驗證，從結(jié)果分析，LoRa在自動融合抄表系統(tǒng)中能夠達到很好的設(shè)計性能。本文的研究對四表合一的實施推廣具有推動作用。

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作者信息:

姚  志，田  瑞，嚴紹奎

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川750011）