基于LoRaWAN的無線預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：以LoRa為代表的低功耗、遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜組網(wǎng)和高功耗的難題。為進(jìn)一步降低基于LoRaWAN的無線抄表系統(tǒng)的功耗，同時針對ZigBee、紅外等無線技術(shù)在抄表方案中存在通信距離短、抗干擾能力弱的缺陷，通過對LoRaWAN無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的研究，將MCU系統(tǒng)和LoRa技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于LoRaWAN無線通訊技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)。首先介紹無線抄表系統(tǒng)的硬件組成和功能模塊的作用，其次介紹節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)過程，得出結(jié)論，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了降低功耗的作用。
關(guān)鍵詞: LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；遠(yuǎn)距離；LoRaWAN
0引言
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)無線接入新技術(shù)，具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。LoRa（Long Range）作為一種非授權(quán)頻譜的LPWAN無線通信技術(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(yuǎn)距離通信系統(tǒng)，主要包含物理層和MAC層（即LoRaWAN），如圖1所示。
圖1 LoRa層結(jié)構(gòu)
LoRa物理層采用線性調(diào)頻技術(shù)（CSS，Chirp Spread Spectrum），適用于遠(yuǎn)距離、低功耗、低吞吐量的通信。LoRaWAN由LoRa聯(lián)盟發(fā)布，是一種基于開源的電信級MAC層協(xié)議。LoRa是一項(xiàng)私有技術(shù)，工作在未授權(quán)頻段，使用免費(fèi)的ISM頻譜，具體頻段及規(guī)范因地區(qū)而異。LoRa作為非授權(quán)頻譜LPWAN技術(shù)典型代表，有廣泛的應(yīng)用場景，如太陽能路燈照明管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離無線抄表系統(tǒng)等。隨著智慧城市的發(fā)展，遠(yuǎn)距離無線抄表技術(shù)將在智能抄表應(yīng)用中起到非常重要的作用。終端儀表由于無法保證持續(xù)的外部電能供應(yīng)，只能依靠電池供能，所以在運(yùn)行過程中盡可能降低平均功耗，才可以保證不間斷的長期工作。顯然，只降低發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，或者只降低接收機(jī)的功耗電流是不現(xiàn)實(shí)的。這種方法的效果不但不明顯，還會帶來通信質(zhì)量下降的惡劣后果。在現(xiàn)有的無線抄表系統(tǒng)中，當(dāng)通信設(shè)備不工作于發(fā)射或接收模式時，使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，是降低平均功耗有效的方法。當(dāng)集中器或網(wǎng)關(guān)需要和某個終端儀表通信時，處于休眠狀態(tài)的終端設(shè)備將被喚醒，轉(zhuǎn)換成發(fā)射或接收模式，實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)的功能。
1 總體設(shè)計(jì)
LoRaWAN主要包含三個部分：節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)打包上傳給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，包括將節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器和將服務(wù)器的下行命令轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解析和下發(fā)控制命令。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示：本文設(shè)計(jì)的低功耗無線通信系統(tǒng)包含一個命令下發(fā)設(shè)備（服務(wù)器）、一個命令數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備（網(wǎng)關(guān)）和若干個終端設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）。
圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)模型
在系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)使用市電供電；由于節(jié)點(diǎn)所處的位置不，環(huán)境復(fù)雜多變，無法保證使用市電進(jìn)行供電，因此只能使用電池供電。為了維持節(jié)點(diǎn)的長時間穩(wěn)定工作，就需要在盡可能長的時間內(nèi)處于低功耗模式。節(jié)點(diǎn)在低功耗模式下只能被動接收數(shù)據(jù)，不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦節(jié)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(shù)據(jù)。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(jié)點(diǎn)并且轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器下發(fā)的控制命令，并上傳節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)給服務(wù)器。當(dāng)集中器給某終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先需要將處于睡眠狀態(tài)的終端設(shè)備喚醒，再進(jìn)行通信。終端表設(shè)備接收到喚醒幀后，通過判斷喚醒幀中的終端地址是否與該終端設(shè)備的地址相同，來決定此終端表設(shè)備是否準(zhǔn)備開啟接收模式。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(shè)備繼續(xù)處于低功耗模式，開啟周期性檢測信道空閑功能。如果相同，終端表設(shè)備會根據(jù)喚醒幀中的時間標(biāo)簽在低功耗模式下進(jìn)行一段時間的延時，當(dāng)延時時間結(jié)束，立刻開啟接收模式。
2硬件設(shè)計(jì)
硬件包含網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)，采用意法半導(dǎo)體公司基于Cortex M3內(nèi)核的32位高性能功耗微控制器STM32F103作為網(wǎng)關(guān)，該芯片工作頻率可達(dá)72MHz，具有512KB的閃存以及高速SRAM，性能強(qiáng)勁，實(shí)時性好。同時該芯片有睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式3種低功耗工作模式，以及創(chuàng)新型自主動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能，方便了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，可以滿足無線抄表的各種需求。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，起著決定性的作用。節(jié)點(diǎn)采用低功耗MCU與傳感器、控制器相連，單個節(jié)點(diǎn)只搭載單個傳感器，電池采用高容量低功率類型的電池。設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)。SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用LoRa擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用FSK等調(diào)制解調(diào)技術(shù)，能夠降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，易于管理和監(jiān)控。具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號穿透性強(qiáng)、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送穩(wěn)定等特點(diǎn)。同時，SX1278軟件配置具有很大的靈活性，用戶可通過程序決定擴(kuò)頻調(diào)制帶寬(BW)、糾錯率(CR)和擴(kuò)頻因子(SF)。
圖3 硬件總體框圖
3軟件設(shè)計(jì)
無線通信系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，首先網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到硬件初始化階段，節(jié)點(diǎn)完成硬件初始化后進(jìn)入低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測。此時檢測信道是否空閑，如果信道空閑，則此節(jié)點(diǎn)繼續(xù)處于低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測。在某一時刻由服務(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，通過解析后的命令內(nèi)容生成用來喚醒特定節(jié)點(diǎn)的喚醒幀。網(wǎng)關(guān)會通過無線設(shè)備發(fā)送持續(xù)一定時間長度的喚醒幀，在此時間段內(nèi)，節(jié)點(diǎn)將配置成無線接收模式，接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的喚醒幀。喚醒幀中包含節(jié)點(diǎn)地址和時間標(biāo)簽，判斷喚醒幀中設(shè)備地址是否和此設(shè)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間標(biāo)簽，通過時間標(biāo)簽計(jì)算出將此節(jié)點(diǎn)切換為低功耗模式的延時時長，進(jìn)行延時，一旦延時時長結(jié)束，立刻將此節(jié)點(diǎn)配置成無線接收模式，直至接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令。當(dāng)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(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，完成通信過程。當(dāng)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)后，將此節(jié)點(diǎn)配置成低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測，整個無線通信系統(tǒng)運(yùn)行的流程如圖4所示。
圖4 低功耗無線抄表方法流程圖
如圖5所示，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)在t0時刻進(jìn)行硬件初始化，節(jié)點(diǎn)在t1、t2、t4、t9時刻開啟信道空閑檢測。而節(jié)點(diǎn)的無線模塊會通過RTC時鐘定時，周期性開啟信道空閑檢測，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的時間段內(nèi)，終端設(shè)備的無線模塊都會處于睡眠模式。
圖5 低功耗無線抄表方法時序圖
在t3時刻時，網(wǎng)關(guān)接收到服務(wù)器發(fā)送過來的抄表命令，同時生成喚醒特定節(jié)點(diǎn)的喚醒幀，其中包含節(jié)點(diǎn)地址和時間標(biāo)簽。t3時刻網(wǎng)關(guān)開始發(fā)送喚醒幀，t6時刻完成喚醒幀的發(fā)送。節(jié)點(diǎn)在t4時刻處于信道空閑檢測模式，因此在t4時刻特定節(jié)點(diǎn)被喚醒，此時該節(jié)點(diǎn)處于無線接收模式，用來接收后續(xù)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時刻，為了降低功耗在t4到t5的時間區(qū)間內(nèi)使節(jié)點(diǎn)處于完全低功耗模式（MCU 進(jìn)入Halt模式，無線模塊進(jìn)入睡眠模式）來降低功耗。若喚醒幀中的時間標(biāo)簽值為TL，時間標(biāo)簽值允許的個數(shù)為TLN，t4到t5的時間區(qū)間長度為DST：
t5時刻，節(jié)點(diǎn)開啟無線接收模式，t7時刻節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的抄表命令，t8時刻節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，至此完成網(wǎng)關(guān)到節(jié)點(diǎn)的通信過程，通信完成后節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入到低功耗模式，并周期性開啟信道空閑檢測。至此完成了一次完整的通信過程。
4安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺
4.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，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(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動關(guān)閥。
4.2 系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。
遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價控閥等操作。
遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時下發(fā)，并比對充值次數(shù)，方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時關(guān)注商鋪用水用電情況。
短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。
遠(yuǎn)程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。
4.3 產(chǎn)品選型
5結(jié)束語
在無線通信系統(tǒng)的整個通信過程中，節(jié)點(diǎn)的主要耗能階段是開啟接收模式和開啟發(fā)送模式這兩個過程，經(jīng)過本文的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，大大縮短了這兩個過程的持續(xù)時間。因此通過這種抄表方法可以降低通信系統(tǒng)的功耗，增加終端節(jié)點(diǎn)的電池使用壽命。
【參考文獻(xiàn)】
【1】雷婧, 李紅信.基于LoRaWAN的無線低功耗抄表方法設(shè)計(jì)
【2】王陽,溫向明,路兆銘.新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)—LoRa[J].信息通信技術(shù),2017,2:55-59.
【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06
作者簡介：易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
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