安科(kē)瑞電氣(qì)股(gǔ)份有(yǒu)限(xiàn)公司  上海嘉(jiā)定(dìng)  201801

 

摘(zhāi)要(yào)：以LoRa為代(dài)表的(dí)低功耗(hào)，遠距離網(wǎng)絡技(jì)術的出(chū)現
，有效(xiào)解決了物聯網(wǎng)復雜組(zǔ)網和高功(gōng)耗(hào)的難題(tí)。為進(jìn)一(yī)步(bù)降(jiàng)低(dī)基於LoRaWAN的無綫抄表(biǎo)係統的功耗(hào)
，同(tóng)時針對ZigBee，紅(hóng)外等(děng)無綫(xiàn)技術(shù)在抄表方(fāng)案(àn)中存在(zài)通(tōng)信距離短，抗(kàng)幹擾(rǎo)能力弱的缺陷
，通過對LoRaWAN無綫(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)協議(yì)的(dí)研究
，將(jiāng)MCU係統(tǒng)和(hé)LoRa技(jì)術相結(jié)合(hé)
，設計(jì)了(liǎo)一種基於(yú)LoRaWAN無綫通訊(xùn)技(jì)術(shù)的智能抄表係(xì)統(tǒng)。首(shǒu)先介(jiè)紹無(wú)綫(xiàn)抄(chāo)表係統的硬(yìng)件(jiàn)組成和功能模塊的(dí)作用
，其次介紹節(jié)點(diǎn)軟件設計(jì)過程
，得(dé)出結論
，該係(xì)統(tǒng)實現(xiàn)了(liǎo)降低(dī)功(gōng)耗的(dí)作用(yòng)。

關(guān)鍵(jiàn)詞: LoRa
；物聯(lián)網(wǎng)
；低功耗
；遠距(jù)離
；LoRaWAN

 

       低(dī)功耗廣(guǎng)域網絡技(jì)術（LPWAN
，Low Power Wide Area Network）是(shì)一種物聯網無(wú)綫(xiàn)接入(rù)新技(jì)術
，具有低功耗(hào)，網(wǎng)絡擴展(zhǎn)性強(qiáng)，通信距離(lí)遠(yuǎn)等優點(diǎn)。LoRa（Long Range）作(zuò)為一(yī)種非(fēi)授權頻譜的(dí)LPWAN無綫(xiàn)通信(xìn)技(jì)術
，以廣(guǎng)覆蓋，低功(gōng)耗(hào)等(děng)特點(diǎn)受(shòu)到(dào)了廣(guǎng)泛(fàn)關注。LoRa是(shì)一(yī)種由LoRa聯(lián)盟推出的遠距(jù)離(lí)通(tōng)信(xìn)係(xì)統
，主要包(bāo)含(hán)物理層(céng)和MAC層(céng)（即LoRaWAN）
，如(rú)圖1所(suǒ)示。

圖(tú)1 LoRa層結(jié)構

       LoRa物理層(céng)采(cǎi)用綫(xiàn)性(xìng)調(tiáo)頻(pín)技(jì)術（CSS
，Chirp Spread Spectrum）
，適(shì)用(yòng)於(yú)遠(yuǎn)距離，低(dī)功(gōng)耗(hào)，低(dī)吞(tūn)吐量的通信。LoRaWAN由LoRa聯(lián)盟(méng)發布(bù)
，是一(yī)種(zhǒng)基於開源的電(diàn)信級MAC層(céng)協議(yì)。LoRa是一(yī)項私有技術
，工作在未(wèi)授(shòu)權頻段(duàn)
，使用免費(fèi)的(dí)ISM頻譜
，具(jù)體(tǐ)頻段及規範因地區而異。LoRa作(zuò)為(wéi)非授權頻譜LPWAN技(jì)術(shù)典(diǎn)型(xíng)代(dài)表(biǎo)
，有廣(guǎng)泛(fàn)的(dí)應用(yòng)場景
，如(rú)太(tài)陽(yáng)能(néng)路燈照明管(guǎn)理係統，遠(yuǎn)距離(lí)無綫(xiàn)抄表(biǎo)係統等(děng)。隨著智(zhì)慧(huì)城市(shì)的發(fā)展
，遠距(jù)離無綫抄(chāo)表技術(shù)將(jiāng)在智(zhì)能(néng)抄表應(yīng)用(yòng)中起(qǐ)到(dào)非(fēi)常重(zhòng)要(yào)的(dí)作用。終(zhōng)端儀表(biǎo)由(yóu)於(yú)無法保證持續的(dí)外部電能供應
，隻能(néng)依(yī)靠(kào)電池供能(néng)
，所以(yǐ)在(zài)運行過程中(zhōng)盡(jìn)可(kě)能(néng)降低(dī)平均功耗
，才(cái)可以(yǐ)保(bǎo)證(zhèng)不(bù)間(jiān)斷的長期工(gōng)作(zuò)。顯然
，隻(zhī)降(jiàng)低(dī)發射(shè)機(jī)的發射功率(shuài)
，或(huò)者隻降(jiàng)低(dī)接收(shōu)機(jī)的功耗電流是不現(xiàn)實的。這種方法(fǎ)的效(xiào)果(guǒ)不(bù)但不明(míng)顯
，還會帶(dài)來(lái)通(tōng)信(xìn)質量(liáng)下降的惡(è)劣(liè)後果。在現(xiàn)有的無綫抄(chāo)表(biǎo)係統中
，當通(tōng)信(xìn)設備不(bù)工作(zuò)於發射或接收模式(shì)時
，使(shǐ)其(qí)進(jìn)入(rù)休(xiū)眠狀(zhuàng)態(tài)
，是降(jiàng)低(dī)平均功耗有(yǒu)效的方法。當集中(zhōng)器或網(wǎng)關(guān)需要(yào)和某(mǒu)個(gè)終(zhōng)端儀(yí)表通信(xìn)時(shí)
，處(chǔ)於(yú)休眠狀態(tài)的(dí)終端設(shè)備將被喚(huàn)醒(xǐng)
，轉換成發射(shè)或接收模(mó)式
，實(shí)現交(jiāo)換(huàn)數據的功(gōng)能(néng)。

 

       LoRaWAN主(zhǔ)要包含三(sān)個部分：節(jié)點，網關，服務(wù)器。節(jié)點負責數(shù)據的(dí)采集(jí)
，將采集(jí)的(dí)數(shù)據打包上(shàng)傳(chuán)給網關。網(wǎng)關(guān)負責數據包的(dí)轉(zhuǎn)發
，包(bāo)括(kuò)將節(jié)點(diǎn)上(shàng)傳的數(shù)據轉(zhuǎn)發給(gěi)服務器和(hé)將服務(wù)器(qì)的下行命令轉發(fā)給節點。服(fú)務器(qì)負責數據解析(xī)和下(xià)發(fā)控製命令。整(zhěng)體結構(gòu)如(rú)圖2所(suǒ)示(shì)：本(běn)文(wén)設計的(dí)低功(gōng)耗無綫通信係統(tǒng)包(bāo)含一(yī)個命(mìng)令下發(fā)設(shè)備（服(fú)務器），一個命令數據中轉設(shè)備（網關）和(hé)若(ruò)幹個終端設(shè)備(bèi)（節(jié)點）。

圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡模型

 

       在(zài)係(xì)統正(zhèng)常運行的(dí)狀態下
，網(wǎng)關使用(yòng)市電供電
；由於節(jié)點所處的位(wèi)置(zhì)
，環境(jìng)復雜多(duō)變
，無法保證(zhèng)使用(yòng)市電(diàn)進(jìn)行供電
，因此隻能(néng)使(shǐ)用(yòng)電池供電(diàn)。為(wéi)了維(wéi)持(chí)節(jié)點(diǎn)的(dí)長(cháng)時間(jiān)穩(wěn)定工作(zuò)
，就需要(yào)在(zài)盡(jìn)可能(néng)長的時間內處(chǔ)於低(dī)功耗(hào)模式。節(jié)點在(zài)低功(gōng)耗模式下隻(zhī)能(néng)被動接收數據(jù)
，不能主(zhǔ)動(dòng)發(fā)送數據。一(yī)旦節點(diǎn)被喚(huàn)醒
，處於正常(cháng)的工(gōng)作狀(zhuàng)態(tài)
，就可以(yǐ)接(jiē)收和發送(sòng)數(shù)據。服務器的主要功能是給網關(guān)下(xià)發(fā)控製(zhì)命(mìng)令
，網關(guān)的(dí)主(zhǔ)要功(gōng)能是喚醒節點並(bìng)且轉(zhuǎn)發服務器下(xià)發(fā)的控(kòng)製命(mìng)令
，並(bìng)上傳節點(diǎn)的(dí)數據給(gěi)服(fú)務器。當集(jí)中(zhōng)器給某終端設(shè)備發(fā)送數據時(shí)
，首(shǒu)先需要將處(chǔ)於睡眠狀態的終端設(shè)備喚醒
，再進(jìn)行(háng)通(tōng)信(xìn)。終端(duān)表(biǎo)設備接(jiē)收到喚醒(xǐng)幀後(hòu)
，通(tōng)過判斷喚(huàn)醒(xǐng)幀中(zhōng)的終端地址是(shì)否(fǒu)與該終(zhōng)端設(shè)備(bèi)的地(dì)址(zhǐ)相同(tóng)
，來決(jué)定(dìng)此終端表設備是否(fǒu)準備(bèi)開啟接(jiē)收(shōu)模(mó)式。如果(guǒ)喚(huàn)醒幀中的終端地(dì)址(zhǐ)與該終(zhōng)端(duān)表地(dì)址(zhǐ)不(bù)相(xiāng)同(tóng)
，則(zé)丟棄此喚(huàn)醒(xǐng)幀
，終(zhōng)端(duān)表設備繼(jì)續處於(yú)低(dī)功(gōng)耗(hào)模式
，開(kāi)啟周期性(xìng)檢測信道空(kōng)閒(xián)功(gōng)能。如(rú)果相同
，終(zhōng)端(duān)表設(shè)備(bèi)會(huì)根據(jù)喚醒(xǐng)幀中的時(shí)間(jiān)標(biāo)簽在低(dī)功耗模式下(xià)進行(háng)一段(duàn)時(shí)間(jiān)的(dí)延時(shí)
，當(dāng)延時(shí)時間(jiān)結束
，立刻(kè)開啟(qǐ)接收(shōu)模式(shì)。

 

       硬(yìng)件(jiàn)包(bāo)含(hán)網(wǎng)關(guān)與(yǔ)節(jié)點
，采用意(yì)法半導體公司(sī)基(jī)於(yú)Cortex M3內(nèi)核的(dí)32位(wèi)高(gāo)性(xìng)能超低功耗微控製(zhì)器(qì)STM32F103作(zuò)為網(wǎng)關(guān)
，該芯片工作頻率可(kě)達(dá)72MHz
，具有(yǒu)512KB的閃(shǎn)存以及(jí)高(gāo)速SRAM
，性能(néng)強勁
，實時性(xìng)好(hǎo)。同(tóng)時(shí)該芯片(piàn)有(yǒu)睡眠模式，停止模式(shì)和待機模式(shì)3種低(dī)功耗工作(zuò)模(mó)式
，以及(jí)創新(xīn)型(xíng)自(zì)主動(dòng)態電(diàn)壓(yā)調(tiáo)節功能(néng)
，方便了係統低功(gōng)耗設計
，可以(yǐ)滿足無綫抄表的各種(zhǒng)需(xū)求(qiú)。網關需(xū)要搭載LoRa芯(xīn)片(piàn)以及與(yǔ)服務(wù)器(qì)通信的(dí)通(tōng)信模(mó)塊。MCU控製單(dān)元是智(zhì)能(néng)水表的(dí)控製(zhì)器
，起著決定性的(dí)作用(yòng)。節(jié)點采用低功耗(hào)MCU與(yǔ)傳(chuán)感器(qì)，控製器(qì)相(xiāng)連(lián)
，單(dān)個節(jié)點隻搭載單個傳感器
，電(diàn)池采(cǎi)用(yòng)高容量低(dī)功率類型(xíng)的(dí)電(diàn)池。設(shè)計采用(yòng)Semtech公司(sī)推出(chū)的低功耗(hào)半雙工高靈敏(mǐn)度的SX1278收(shōu)發器(qì)作(zuò)為(wéi)節點(diǎn)。SX1278射(shè)頻模塊是一種(zhǒng)高(gāo)度集成(chéng)低(dī)功耗(hào)半雙(shuāng)工(gōng)小(xiǎo)功(gōng)率無綫(xiàn)數據傳輸(shū)模塊
，采用LoRa擴頻(pín)調(tiáo)製(zhì)解(jiě)調(tiáo)技(jì)術(shù)
，其傳(chuán)輸距(jù)離遠遠(yuǎn)超(chāo)過使(shǐ)用FSK等調製(zhì)解(jiě)調技術
，能(néng)夠降(jiàng)低網絡(luò)部(bù)署(shǔ)成(chéng)本(běn)
，易於管理和(hé)監(jiān)控(kòng)。具有傳輸(shū)距離遠(yuǎn)，信(xìn)號(hào)穿(chuān)透性(xìng)強(qiáng)，數據(jù)接(jiē)收和發送穩定(dìng)等(děng)特(tè)點。同(tóng)時(shí)
，SX1278軟(ruǎn)件(jiàn)配(pèi)置(zhì)具(jù)有很大的靈活性
，用戶(hù)可(kě)通過程序(xù)決定(dìng)擴(kuò)頻(pín)調(tiáo)製帶寬(kuān)(BW)，糾錯率(CR)和擴(kuò)頻(pín)因(yīn)子(zǐ)(SF)。

圖3 硬件(jiàn)總體(tǐ)框圖

 

       無綫通信係(xì)統(tǒng)在正常運(yùn)行(háng)時
，首先網(wǎng)關(guān)和節點(diǎn)進入(rù)到硬(yìng)件初始(shǐ)化階段
，節(jié)點完成(chéng)硬(yìng)件(jiàn)初(chū)始(shǐ)化(huà)後進入低功耗模式
，周(zhōu)期(qī)性開啟信道空(kōng)閒檢測。此(cǐ)時檢測信道是否空閒
，如(rú)果信道(dào)空閒(xián)
，則此節(jié)點繼(jì)續(xù)處於(yú)低功(gōng)耗模式(shì)
，周期(qī)性開(kāi)啟信道空閒(xián)檢測。在某一時刻由(yóu)服(fú)務器向(xiàng)網(wǎng)關的GPRS模塊下發抄表(biǎo)命令
，網關接收到抄(chāo)表(biǎo)命(mìng)令(líng)後進(jìn)行(háng)解析
，通過(guò)解析後的命(mìng)令內(nèi)容(róng)生成(chéng)用來喚醒(xǐng)特定節點(diǎn)的喚醒幀。網關(guān)會通(tōng)過無(wú)綫(xiàn)設備發(fā)送持續一(yī)定(dìng)時(shí)間(jiān)長(cháng)度的喚(huàn)醒(xǐng)幀(zhēn)
，在此(cǐ)時間段(duàn)內(nèi)
，節點(diǎn)將(jiāng)配置成無(wú)綫接(jiē)收模式(shì)
，接收(shōu)網關發送的喚醒幀。喚(huàn)醒幀中(zhōng)包(bāo)含節點地(dì)址和(hé)時間標簽
，判(pàn)斷喚醒幀(zhēn)中(zhōng)設(shè)備地址是否和(hé)此設備地址(zhǐ)相同
，如(rú)果(guǒ)不相同則丟棄(qì)此(cǐ)喚醒幀
；如果(guǒ)相(xiāng)同(tóng)
，則提(tí)取(qǔ)此喚醒幀中的時間標簽(qiān)
，通過(guò)時間(jiān)標簽(qiān)計(jì)算出(chū)將此節(jié)點切換為低(dī)功(gōng)耗模式的延時時長
，進行延時
，一旦(dàn)延時時長結(jié)束(shù)
，立(lì)刻(kè)將此(cǐ)節點配(pèi)置(zhì)成無綫接(jiē)收(shōu)模(mó)式(shì)
，直至接(jiē)收(shōu)到網關發(fā)送(sòng)的命令。當接(jiē)收(shōu)到(dào)網(wǎng)關發(fā)送的命令後
，解析抄(chāo)表命令
，獲(huò)取(qǔ)此(cǐ)終(zhōng)端節點的數據
，將此數(shù)據發(fā)送(sòng)給(gěi)網關
，完成通(tōng)信過程(chéng)。當節點將數據(jù)發送給網(wǎng)關(guān)後
，將此(cǐ)節點配置成低功(gōng)耗(hào)模式(shì)
，周期性開啟信(xìn)道空閒(xián)檢測(cè)
，整(zhěng)個無(wú)綫(xiàn)通(tōng)信(xìn)係統(tǒng)運行的流程(chéng)如(rú)圖4所(suǒ)示。

圖4 低功耗(hào)無(wú)綫抄表方法(fǎ)流(liú)程(chéng)圖

 

       如圖(tú)5所示
，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關在t0時(shí)刻進(jìn)行(háng)硬件(jiàn)初始化
，節(jié)點(diǎn)在(zài)t1，t2，t4，t9時刻開(kāi)啟信道(dào)空閒(xián)檢測(cè)。而節(jié)點(diǎn)的無綫(xiàn)模(mó)塊會(huì)通(tōng)過RTC時(shí)鐘定時(shí)
，周期性開啟信道空閒(xián)檢(jiǎn)測(cè)
，因(yīn)此(cǐ)圖(tú)中t1-t0=t2-t1=t4-t2=t9-t8。在(zài)t0到(dào)t1，t1到t2，t2到(dào)t4，以(yǐ)及t8到t9的(dí)時間(jiān)段內
，終端(duān)設(shè)備的(dí)無綫(xiàn)模(mó)塊都會處(chǔ)於睡(shuì)眠模(mó)式(shì)。

圖5 低(dī)功(gōng)耗無綫抄(chāo)表(biǎo)方法時(shí)序(xù)圖(tú)

 

       在(zài)t3時刻(kè)時
，網關接收(shōu)到服(fú)務(wù)器(qì)發(fā)送過來的抄(chāo)表命令
，同(tóng)時生成喚醒(xǐng)特(tè)定節(jié)點的喚醒(xǐng)幀
，其(qí)中包(bāo)含節(jié)點地(dì)址(zhǐ)和(hé)時間(jiān)標簽(qiān)。t3時(shí)刻網關開(kāi)始發(fā)送喚醒幀
，t6時(shí)刻完成喚(huàn)醒幀的發(fā)送(sòng)。節(jié)點在(zài)t4時刻處於信道空閒檢測模式(shì)
，因(yīn)此(cǐ)在t4時(shí)刻特定(dìng)節點被喚(huàn)醒(xǐng)
，此時(shí)該節(jié)點處於(yú)無綫接(jiē)收(shōu)模式
，用(yòng)來(lái)接收(shōu)後續(xù)網關發送(sòng)的命(mìng)令。網(wǎng)關發(fā)送的抄表命(mìng)令是在(zài)t7時刻
，為了降低功耗在(zài)t4到t5的時間(jiān)區間內使節(jié)點處於(yú)*低(dī)功(gōng)耗(hào)模(mó)式（MCU 進(jìn)入(rù)Halt模式(shì)
，無綫模塊進入睡眠模(mó)式(shì)）來降低(dī)功耗。若(ruò)喚(huàn)醒幀(zhēn)中的時間標簽值為TL
，時(shí)間標簽值(zhí)允(yǔn)許的個(gè)數為TLN
，t4到t5的時(shí)間(jiān)區(qū)間長度(dù)為(wéi)DST：

       t5時(shí)刻
，節(jié)點(diǎn)開啟(qǐ)無綫接(jiē)收(shōu)模(mó)式
，t7時刻節(jié)點(diǎn)接收到網關發送的(dí)抄(chāo)表命令
，t8時刻(kè)節點(diǎn)將數(shù)據(jù)發送(sòng)給網(wǎng)關
，至此完(wán)成(chéng)網關到(dào)節(jié)點的通信過程
，通信完成(chéng)後節點再次(cì)進入到(dào)低(dī)功耗模(mó)式
，並(bìng)周(zhōu)期性開(kāi)啟(qǐ)信(xìn)道(dào)空(kōng)閒檢測(cè)。至此(cǐ)完(wán)成了一次完整的通信(xìn)過程。 

 

4.1 係(xì)統方案

       係統為B/S架構(gòu)
，主要包括(kuò)前端管理網(wǎng)站(zhàn)和(hé)後(hòu)台(tái)集(jí)抄服務(wù)
，配合公(gōng)司(sī)的(dí)預付(fù)費電(diàn)表DDSY1352和DTSY1352係(xì)列以及(jí)多(duō)用戶計(jì)量箱(xiāng)ADF300L係(xì)列(liè)
，實現電能計(jì)量和電費管理等功能(néng)。另外可以(yǐ)選配遠(yuǎn)傳(chuán)閥(fá)控(kòng)水(shuǐ)表(biǎo)組成(chéng)水電一(yī)體預(yù)付(fù)費(fèi)係統(tǒng)
，達到先交費後用(yòng)水(shuǐ)的(dí)目(mù)的(dí)
，剩餘(yú)水(shuǐ)量用(yòng)完(wán)自(zì)動關(guān)閥(fá)。

4.2 係統功(gōng)能(néng)

       AcrelCloud-3200預付費水電(diàn)雲(yún)平(píng)台由雲平台(tái)-網關(guān)-預付費(fèi)電能(néng)表(biǎo)組成
，通(tōng)過通信網(wǎng)絡(luò)完(wán)成係(xì)統(tǒng)到(dào)表的充(chōng)值，查詢，監控，控製及短信(xìn)報(bào)警等功能。

       本係(xì)統(tǒng)適(shì)用於(yú)一些大集團和大物(wù)業(yè)
，往往需(xū)要(yào)將(jiāng)多個(gè)物(wù)業環(huán)境(jìng)，分散於各地的(dí)物(wù)業集(jí)中式收費和管理(lǐ)
，麵(miàn)臨著數據(jù)公(gōng)網(wǎng)傳輸
，財務(wù)操(cāo)作分散(sàn)
，在綫支付
，總部財務紮口(kǒu)等(děng)復(fù)雜(zá)的需(xū)求。

       遠程(chéng)集中抄表(biǎo)：抄表信息通(tōng)過(guò)網關實時上(shàng)傳到(dào)雲平台
，快速便捷(jié)
，免去(qù)人工抄(chāo)表(biǎo) 。

       水(shuǐ)表預付(fù)費:可(kě)是查看(kàn)某區域水表的(dí)實時狀(zhuàng)態(tài)信(xìn)息
，並可(kě)以進行(háng)單(dān)表或批量設置水價(jià)控閥等(děng)操作。

       遠程(chéng)售電:財(cái)務(wù)集中(zhōng)管理(lǐ)
，電量(liáng)實(shí)時下發
，並(bìng)比對(duì)充值(zhí)次數(shù)
，方(fāng)便快捷。

       能(néng)耗分析:用戶和管理員都可(kě)查詢預付(fù)費表或(huò)管(guǎn)控(kòng)表(biǎo)每天的(dí)用(yòng)能(néng)狀況
；可提(tí)供能耗分析(xī)+財務軌跡一(yī)體式綜合管理(lǐ)報(bào)表
，包含用(yòng)戶(hù)表(biǎo)的(dí)能耗，財務(wù)數據，能(néng)耗(hào)和(hé)財務(wù)的期(qī)初期(qī)末(mò)值(zhí)等數據(jù)。

       在(zài)綫支(zhī)付(fù):商戶可以通過小(xiǎo)程(chéng)序(xù)或(huò)者(zhě)微信(xìn)公眾號實(shí)現在綫(xiàn)自(zì)助充值(zhí)水(shuǐ)電費
，也(yě)可以(yǐ)實(shí)時(shí)關注商(shāng)鋪用水用電情況(kuàng)。

       短信提醒:金(jīn)額不(bù)足(zú)或金額欠費提醒，電(diàn)表充值(zhí)到賬提(tí)醒
，都可及(jí)時(shí)短(duǎn)信通知商(shāng)戶。

 

 

       遠程(chéng)控製(zhì):可(kě)對(duì)任意一塊(kuài)電(diàn)表(biǎo)執(zhí)行遠(yuǎn)程拉(lā)閘(zhá)或保(bǎo)電等一(yī)係(xì)列(liè)遠(yuǎn)程(chéng)控(kòng)製操作
，方(fāng)便管理(lǐ)。

 

4.3 產品(pǐn)選型