一種采用LoRa技術(shù)的智能水表設(shè)計(jì)

楊 歡，李紅信

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

一種采用LoRa技術(shù)的智能水表設(shè)計(jì)

楊 歡，李紅信

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

為提高水表的抄表效率及計(jì)量精度，同時(shí)針對(duì)Zigbee、紅外等無(wú)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(guò)對(duì)LoRa無(wú)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LoRa無(wú)線通信技術(shù)的智能水表。介紹了水表的硬件組成和功能模塊的作用，給出了通信單元和電磁閥門控制單元硬件原理圖，簡(jiǎn)述了通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)水表的通信距離和在定時(shí)、單播和廣播抄表方式下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該水表具有通信距離遠(yuǎn)、可靠性高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

智能水表；LoRa；SX1278；無(wú)線抄表

0 引言

自動(dòng)抄表 (Automatic Meter Reading,AMR)是采用通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過(guò)專用設(shè)備對(duì)各種儀表(如水表、電表和氣表等)的數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)采集和處理的系統(tǒng)[1]。近年來(lái)，抄表行業(yè)出現(xiàn)了紅外、藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)等抄表方式，其在數(shù)據(jù)共享等方面存在很多缺陷，需要進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)隨著通信設(shè)備的復(fù)雜度的増加，這些技術(shù)已經(jīng)不能滿足無(wú)線抄表要求。

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入新技術(shù)，具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性強(qiáng)和通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。LoRa(Long Range)[2]作為一種非授權(quán)頻譜的LPWAN無(wú)線通信技術(shù)，采用自適性數(shù)據(jù)速率策略，使其接收電流低達(dá)10 mA，休眠電流小于200 nA，實(shí)現(xiàn)了超低功耗；其次利用先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和編碼方案，使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜，增加了鏈路預(yù)算和更好的抗干擾性能[3]，對(duì)深度衰落和多普勒頻移具有更好的穩(wěn)定性[4]，其接收靈敏度可達(dá)到-148 dBm[5]，使其在密度較低區(qū)域的通信距離達(dá)15 km。本文將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線抄表中，旨在設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確可靠、方便操作的水表終端。

1 總體設(shè)計(jì)

智能水表是無(wú)線抄表方案的最末端設(shè)備，可采集、記錄用戶的用水量，同時(shí)接收服務(wù)器指令，受服務(wù)器控制，是服務(wù)器指令的執(zhí)行者。該智能水表的設(shè)計(jì)是在低功耗的原則下實(shí)現(xiàn)多功能。當(dāng)水表接收到有效脈沖時(shí)，單片機(jī)由休眠模式轉(zhuǎn)換為工作模式，通過(guò)中斷計(jì)數(shù)該脈沖，記錄用水量。當(dāng)LoRa無(wú)線通信單元接收到集中器命令時(shí)，水表進(jìn)行水量等其他數(shù)據(jù)上報(bào)。當(dāng)欠費(fèi)時(shí)，水表通過(guò)LoRa通信單元接收關(guān)閥指令，電磁閥門實(shí)現(xiàn)對(duì)水表關(guān)閥。此外，通過(guò)RS485通信模塊，可以在特殊情況下實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)RS485的通信功能[6]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。水表組成如圖1所示，由MCU控制單元、LoRa無(wú)線通信單元、電磁閥門控制單元、脈沖輸入采集單元及其他部分組成。

圖1 水表硬件總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU控制單元

智能水表作為一個(gè)電池設(shè)備，需要超低的功耗，微控制的選擇決定著整個(gè)智能水表的性能和功耗。文中采用意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能超低功耗微控制器STM32L151作為控制核心，該芯片工作頻率可達(dá)32 MHz，具有512 KB的閃存以及80 KB的SDRAM[7]，性能強(qiáng)勁，實(shí)時(shí)性好，代碼靈活。同時(shí)該芯片低功耗運(yùn)行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式5種低功耗工作模式，以及創(chuàng)新型自主動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能，方便了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，可以輕松滿足無(wú)線抄表的各種需求。MCU控制單元是智能水表的控制器，起著決定性的作用。

2.2 通信單元

水表終端與上層集中器通信是無(wú)線抄表過(guò)程的關(guān)鍵，其通信性能決定著抄表過(guò)程的優(yōu)劣。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，該收發(fā)器工作的頻率范圍為-137～1 020 MHz[8]，采用LoRa擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使用FSK等調(diào)制解調(diào)技術(shù)，能夠極大地降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，易于管理和監(jiān)控[9]。同時(shí)，SX1278軟件配置具有很大的靈活性，用戶可通過(guò)程序決定擴(kuò)頻調(diào)制帶寬(BW)、糾錯(cuò)率(CR)和擴(kuò)頻因子(SF)。此外，LoRa在選擇性和阻塞性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高通信可靠性。設(shè)計(jì)中STM32L151通過(guò)SX1278的SPI接口來(lái)設(shè)置寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收發(fā)送[10]。SX1278射頻模塊是無(wú)線抄表系統(tǒng)的通信接口，一方面和集中器進(jìn)行無(wú)線通信，另一方面采和MCU控制單元進(jìn)行通信，是無(wú)線抄表過(guò)程的關(guān)鍵。

由于SX1278是半雙工收發(fā)器，因此收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行模式切換[11]。模式選擇模擬開(kāi)關(guān)電路如圖2所示，其中U1為模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)CTRL引腳和VDD引腳的高低電平來(lái)選擇天線連接的是接收電路還是發(fā)射電路。當(dāng)VDD為低電平，CTRL為高電平時(shí)，RF1接通RFC，SX1278收發(fā)器進(jìn)入發(fā)射模式，此時(shí)MCU系統(tǒng)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI串口寫入SX1278的FIFO中，待數(shù)據(jù)寫入完畢后，SX1278收發(fā)器將自動(dòng)完成發(fā)射，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳；當(dāng)VDD為高電平，CTRL為低電平時(shí)，RF2接通RFC，SX1278收發(fā)器進(jìn)入接收模式，此時(shí)SX1278收發(fā)器將接收到的數(shù)據(jù)保存在FIFO中，收完后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，待校驗(yàn)通過(guò)后，會(huì)在DIO0引腳發(fā)出取數(shù)據(jù)信號(hào)，MCU即可通過(guò)SPI串口來(lái)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器發(fā)下指令的接收。

圖2 模式選擇模擬開(kāi)關(guān)電路

2.3 電磁閥門控制單元

智能水表中，控制閥口是實(shí)現(xiàn)控制用水的關(guān)鍵部分。目前主要有電磁水表、超聲水表、射流水表和渦街水表等類型[12]。電磁閥因其靈敏度高、功耗低和可靠性好[13]優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)中通過(guò)電磁閥對(duì)水表進(jìn)行控制，其控制電路如圖3所示。電磁閥控制電路中，STM32L151芯片的P6.6和P6.7引腳控制閥門的正反轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖中可以看出，當(dāng)P6.7引腳輸入低電平，P6.6引腳輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)SW1閉合，打開(kāi)電磁閥，反之，則關(guān)閉電磁閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水表終端的控制。

圖3 電磁閥門控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議是通信過(guò)程中保證收發(fā)雙方能可靠通信的約定。設(shè)計(jì)中，無(wú)線抄表方式分為定時(shí)抄表、單播和廣播抄表。在抄表中，服務(wù)器通過(guò)集中器下發(fā)滿足水表通信規(guī)約的DL/T645-2007協(xié)議指令，數(shù)據(jù)傳輸中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤[14]。所有水表設(shè)備收到喚醒碼并對(duì)地址進(jìn)行比對(duì)，若地址不符則繼續(xù)休眠，若地址符合，則該水表立即喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，集中器接著發(fā)送抄表或其他指令到該水表，該水表收到指令后再向集中器返回?cái)?shù)據(jù)，隨即進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能耗[15]，由此完成一次通信。讀寫水表報(bào)文格式如表1所示，其中表地址即設(shè)備號(hào)，根據(jù)每個(gè)SX1278射頻模塊分配給各個(gè)水表節(jié)點(diǎn)獨(dú)一無(wú)二的設(shè)備地址，由5 Byte非字母的十六進(jìn)制數(shù)表示，低字節(jié)在前高字節(jié)在后?？刂谱?低6 等于為0x1時(shí)表示此條指令讀水表數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，等于0x04時(shí)表示此條指令為向水表寫入數(shù)據(jù)；第7位為應(yīng)答標(biāo)志等于0表示正常應(yīng)答；第8位表示傳輸方向，等于0表示集中器發(fā)出命令，等于1表示水表返回指令。有效數(shù)據(jù)用于返回水表應(yīng)答數(shù)據(jù)，主要包括設(shè)備狀態(tài)字、流量數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)類型和RTC時(shí)鐘等信息。結(jié)束符固定為0x16，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

表1 讀寫水表報(bào)文格式

起始符表地址控制字2控制字1幀序號(hào)數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度數(shù)據(jù)域起始符1Byte5Byte1Byte1Byte1Byte1Byte1Byte數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)D0數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)D1有效數(shù)據(jù)上行信號(hào)強(qiáng)度下行信號(hào)強(qiáng)度CS校驗(yàn)結(jié)束符1Byte1Byte22Byte1Byte1Byte1Byte1Byte

3.2 水表節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

水表節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)流量數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)及接收集中器指令。主程序中，為保證事件響應(yīng)的時(shí)效性，各分支程序的執(zhí)行依靠標(biāo)志位進(jìn)行，當(dāng)查詢到UART或者LoRa數(shù)據(jù)時(shí)，由硬件產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷程序收集數(shù)據(jù)，設(shè)置任務(wù)狀態(tài)標(biāo)志位，等到主程序到了這個(gè)分支再做進(jìn)一步處理[16]?？傮w上講，定時(shí)器每隔100 ms循環(huán)掃描一次整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)字，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有狀態(tài)字被置位，立刻開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)。為了防止程序陷入死循環(huán)，在程序延遲和容易發(fā)生死循環(huán)的程序段加入看門狗監(jiān)聽(tīng)復(fù)位程序[17]。當(dāng)程序發(fā)生死機(jī)后，看門狗復(fù)位寄存器一直累計(jì)，當(dāng)累加的次數(shù)大于 1 000 次之后，MCU 默認(rèn)程序發(fā)生死循環(huán)，迅速發(fā)送一個(gè)低電平脈沖使單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位。整個(gè)水表平時(shí)處在掉電狀態(tài)，當(dāng)有中斷信號(hào)時(shí)，將從睡眠狀態(tài)下喚醒，執(zhí)行程序，水表節(jié)點(diǎn)軟件工作流程如圖4所示。

圖4 LoRa終端無(wú)線模塊程序流程

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 通信距離測(cè)試

LoRa的傳輸距離對(duì)于整個(gè)抄表系統(tǒng)具有重要參考價(jià)值，為此在樓宇內(nèi)對(duì)集中器和水表節(jié)點(diǎn)之間的有效傳輸距離進(jìn)行了數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試。設(shè)備天線發(fā)射功率20 dBm、射頻中心頻率為 470 MHz，測(cè)試中將水表置于10樓，集中器通過(guò)RS232接口和PC連接，在各樓層進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示，水表和集中器在穿透3層樓后仍可保證100%通信，相對(duì)其他無(wú)線技術(shù)，通信距離有很大提升。

表2 集中器和水表有效傳輸距離測(cè)試結(jié)果

集中器所在樓層通信成功率/%信號(hào)強(qiáng)度/dBm8100-467100-516100-59594-75470-88330-101

4.2 流量數(shù)據(jù)采集測(cè)試

抄表的成功率是設(shè)備性能優(yōu)良的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)中測(cè)試了單播抄表、定時(shí)抄表和廣播抄表，主要包括喚醒、抄表和休眠3個(gè)過(guò)程。設(shè)計(jì)中對(duì)水表進(jìn)行單播抄表，一共抄收200次，平均抄收成功率達(dá)到99.5%。定時(shí)抄表時(shí)，設(shè)定設(shè)備每天下午2:00定時(shí)上報(bào)參數(shù)，測(cè)試10天，測(cè)試成功率100%。廣播抄表實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)集中器下面所有水表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，設(shè)計(jì)中對(duì)5塊水表同時(shí)分別下發(fā)凍結(jié)指令、校時(shí)/實(shí)時(shí)時(shí)間查詢指令、讀取設(shè)備信息指令等指令，一共抄收100次，抄收成功率達(dá)到100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，分析了LoRa技術(shù)的原理和優(yōu)勢(shì)，針對(duì)現(xiàn)存無(wú)線抄表技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于LoRa技術(shù)的智能水表。該水表工作在433 MHz，和ZigBee等無(wú)線技術(shù)不在一個(gè)頻段，因此收到的干擾很小。同時(shí)由于ZigBee等無(wú)線技術(shù)通信頻率相對(duì)較高，信號(hào)在空中衰減較快，導(dǎo)致傳播距離不遠(yuǎn)，而LoRa技術(shù)在相同發(fā)射頻率下，通信距離能夠顯著增加。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水表運(yùn)行狀態(tài)良好，能很好地滿足無(wú)線智能抄表的需求，為構(gòu)建智能抄表方案提供了一種有效的解決方案。

[1] 姜啟.智能水表抄表系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].貴陽(yáng):貴州大學(xué),2009:1-3.

[2] 孫曼,張乃謙,金立標(biāo).基于LoRa標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議研究[J].電視技術(shù),40(10):77-81.

[3] LEWARK U J，ANTES J.Link Buget Analysis Forfuture E-band Gigabit Satellite Communicate Links[J].CEAS SpaceJournal，2013(4):42-46.

[4] MOHAMED Aref，AXEL Sikora.2014 2nd International Symposium on Technology and Applications(IDAACS-SWS)[C]∥Offenburg,2014:19-23.

[5] 龔天平.LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[J].電子世界,2016,82(10):115-117．

[6] 鄭子含,劉高平.基于ADE7755的單相電子式電能表設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2012,28(4):59-61．

[7] JOSEPH Y.Cortex-M3權(quán)威指南[M].宋巖,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009:17-20.

[8] 付河.SX1276的LoRa與FSK技術(shù)在室內(nèi)定位中的應(yīng)用研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(10):57-61.

[9] 王洋,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.

[10] 孫麗,孫順遠(yuǎn).曲房低功耗無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù),2017,36(5):29-32.

[11] 王瑞,李躍忠.基于SX1278的水表端無(wú)線抄表控制器[J].電子質(zhì)量,2015(12):67-74.

[12] 姚靈.電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)[J].自動(dòng)化儀表,2009(3):1-5

[13] 馮靜.基于PIC16F84的電磁閥式IC卡水表設(shè)計(jì)研究[J].電子工程師,2008(11):75-77.

[14] 趙太飛,陳倫斌,袁麓.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2016.24(9):298-301.

[15] 羅貴英.基于LoRa的水表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2016.

[16] 郭曉.基于GPRS和MBUS遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2016.

[17] 賈明偉.基于休眠調(diào)度的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效數(shù)據(jù)收集機(jī)制研究[D].南京：南京郵電大學(xué),2016.

DesignonIntelligentWaterMeterBasedonLoRaTechnology

YANG Huan,LI Hong-xin

(SchoolofInformationScienceandEngineering,LanzhouUniversity,LanzhouGansu730000,China)

In order to improve the efficiency and accuracy of water meter,at the same time taking into consideration the defects of Zigbee and infrared wireless technology in meter reading scheme including short communication distance and weak anti-interference capability,an intelligent water meter based on LoRa wireless communication technology is designed based on research of LoRa wireless standard protocol and by combining the MCU system and LoRa modulation technology.First the hardware structure of the water meter and the function of function modules are introduced.The hardware principle diagram of the communication unit and the electromagnetic valve control unit are given.Secondly,the communication protocol and node software design process are described briefly.Finally,the communication distance of the water meter and the method of timing,unicast and broadcast meter reading are tested.The test results show that the water meter has the advantages of long communication distance,high reliability and real-time performance.

smart meter;LoRa;SX1278;wireless meter reading

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.17

楊歡，李紅信.一種采用LoRa技術(shù)的智能水表設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2017,47(12):75-78.[YANG Huan,LI Hongxin.Design on Intelligent Water Meter Based on LoRa Technology[J].Radio Engineering,2017,47(12):75-78.]

TP216.1

A

1003-3106(2017)12-0075-04

2017-08-20

楊歡男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

李紅信男，(1968—)，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授。主要研究方向:工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。