文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(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(lái),，利用ZigBee技術(shù)構(gòu)造的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的技術(shù)水平有了長(zhǎng)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(wèn)題,，不能將電能表數(shù)據(jù)全部抄回。為解決上述問(wèn)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(wú)線智能抄表系統(tǒng)的需求,。系統(tǒng)通過(guò)中繼器將無(wú)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(lái)?；?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/SX1278" title="SX1278" target="_blank">SX1278的LoRa是一種新型無(wú)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(wú)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(guò)無(wú)線模塊直接抄讀；對(duì)于中繼遠(yuǎn)端區(qū),，需要通過(guò)中繼器進(jìn)行無(wú)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(guò)程,，通過(guò)路徑探測(cè)請(qǐng)求流程來(lái)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(wú)線傳輸技術(shù),。當(dāng)SX1278工作在LoRa模式時(shí),，能獲得超過(guò)-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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程就是尋找路徑的過(guò)程，通過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(méi)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(méi)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(yǔ)
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(wèn)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,。
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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(zhǎng)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）