基于LORA的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗沓硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

楊中翔 趙捷豐 鄭培強(qiáng)

摘要

針對(duì)GPRS在無線抄表網(wǎng)絡(luò)中功耗大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了一種基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案該方案以LoRa調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了通信距離長(zhǎng)且在各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都能夠正常工作的智能抄表系統(tǒng);本文主要介紹了整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、每個(gè)LoRa表端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案以及應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方案.最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析;測(cè)試結(jié)果顯示，該方案具有通信距離長(zhǎng)、功耗低、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】智能燃?xì)獗?物聯(lián)網(wǎng) 燃?xì)獗?LoRa通訊 抄表系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，越來越多的燃?xì)獗斫尤肓司W(wǎng)絡(luò)，并逐漸在大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析方面發(fā)揮著重要的作用。低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）就是在此大背景下出現(xiàn)的產(chǎn)物。廣域網(wǎng)通信技術(shù)按頻譜是否授權(quán)可以分成以下兩種類型：

（1）非授權(quán)，如Lora和Sigfox等;

（2）授權(quán)，3GPP制訂的蜂窩通信技術(shù)，如2G、3G、4G，以及基于4G演進(jìn)而來的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）CAT-NB1，也稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)。

低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）是在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中為M2M通信場(chǎng)景優(yōu)化的一種有效的解決方案。LoRa作為L(zhǎng)PWAN通信技術(shù)中的一員，是由全球知名模擬混合信號(hào)與半導(dǎo)體供應(yīng)商Semtech公司發(fā)布的一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，融合了數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。由于LoRa技術(shù)融合了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，綜合了多種技術(shù)的優(yōu)越性，其最大的特點(diǎn)在于可以在同等功耗下取得更遠(yuǎn)的通信距離，無需中繼器，功耗降低，抗干擾性和安全性也得以提高。

雖然GPRS有著依賴現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商不需要組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但是GSM網(wǎng)絡(luò)的清退一直是用戶需要面對(duì)的一個(gè)問題，而且GSM網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率并不高，還占用著寶貴的900M和1800M頻段。并且GPRS的功耗遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的LoRa。本文將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用到燃?xì)獗頍o線抄表中，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程抄取、故障通知和遠(yuǎn)程監(jiān)控等一系列功能。解決了人工抄表耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力、也物力。也解決了人工抄表所帶來的誤抄、漏抄的情況。而LoRa智能燃?xì)獗砟軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、自動(dòng)續(xù)費(fèi)，燃?xì)夤究梢赃h(yuǎn)程管理，而不用派遣員工去操作，極大的節(jié)省了人工成本。因此，將LoRa應(yīng)用于現(xiàn)有的智能燃?xì)獗?，有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

LoRa的物理層和MAC層設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的考慮。LoRa物理層利用擴(kuò)頻技術(shù)可以提高接收機(jī)靈敏度，同時(shí)終端可以工作于不同的工作模式以滿足不同應(yīng)用的省電需求。

基于LoRa的智能燃?xì)獗硐到y(tǒng)如圖1所示，它包括了燃?xì)獗恚ㄓ脩簦?、中轉(zhuǎn)站與燃?xì)獗砉芾砥脚_(tái)（燃?xì)夤荆?。燃?xì)獗韺⒉杉降牧髁繑?shù)據(jù)通過LoRa模塊一對(duì)一發(fā)送到集中器上，集中器匯總所有收到的燃?xì)庥?jì)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過GPRS基站中轉(zhuǎn)發(fā)送至服務(wù)器端。

相比于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，LORaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，消除了同步開銷和跳數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低功率等特點(diǎn)，因此在小區(qū)燃?xì)獬碇胁捎眯切?、鏈型網(wǎng)絡(luò)，就可以滿足實(shí)際需求。理論上，LoRa網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)父節(jié)點(diǎn)可以容納最多 300K個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。但是在實(shí)際使用中，較多的終端節(jié)點(diǎn)會(huì)使協(xié)調(diào)器負(fù)擔(dān)過重，以至于導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓或誤碼率增加。因此，對(duì)通信通道進(jìn)行設(shè)置，將一個(gè)區(qū)域的LoRa網(wǎng)路分成若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從而降低通信鏈路的開銷。

2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主芯片作為智能燃?xì)獗淼淖顬楹诵牡牟糠?，?fù)責(zé)控制整個(gè)無線抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、儲(chǔ)存和傳輸，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)采用了STM32L151C8T6單片機(jī)。它基于ARM CortexM3內(nèi)核，同時(shí)又具有超低功耗的單片機(jī)，該單片機(jī)具有5檔低功耗模式可供選擇，從而適用于各種低功耗場(chǎng)景。相比于同是ST旗下的STM8L系列單片機(jī)，STM32L1系列單片機(jī)提供了更寬的動(dòng)態(tài)電壓輸入范圍、超低功耗的時(shí)鐘晶振、比較器、DAC和硬件加密算法。硬件設(shè)計(jì)中LoRa通訊部分采用了LSD4RF-2F717M91這款模塊，該模塊支持透?jìng)鞴δ埽瑫r(shí)具有高性能、高抗干擾、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1 燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的燃?xì)獗?，?yīng)具有氣量計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息顯示等功能。本設(shè)計(jì)燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)主要用于采集用戶的燃?xì)饬渴褂眯畔ⅲ⒇?fù)責(zé)對(duì)用戶信息的初步打包。另一方面響應(yīng)集中器節(jié)點(diǎn)下發(fā)的指令，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至集中器，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗淼臍饬繑?shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程控制功能。

2.1.2 集中器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

集中器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)表端指令的下發(fā)、表端數(shù)據(jù)的接收以及表端數(shù)據(jù)的上傳，同時(shí)還具有表端信息監(jiān)控以及故障告警等功能，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。集中器節(jié)點(diǎn)通過LoRa透?jìng)鞯姆绞浇邮找黄瑓^(qū)域內(nèi)所有燃?xì)獗矶松蟼鬟^來的信息，并通過GPRS的方式把數(shù)據(jù)傳輸至燃?xì)獗砉芾砥脚_(tái)數(shù)據(jù)中心;同時(shí)從數(shù)據(jù)中心獲取對(duì)表端的控制信息，并在下一個(gè)通訊周期中通過LoRa透?jìng)鞯姆绞较掳l(fā)到燃?xì)獗聿杉?jié)點(diǎn)中。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它提供了搶占式、協(xié)作式和混合配置選項(xiàng)，從而保證了多任務(wù)在FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠正確地被執(zhí)行。系統(tǒng)首先調(diào)用HardwareinitU對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，然后使用xTaskCreate（）創(chuàng)建定時(shí)上傳、上發(fā)等任務(wù)。最后通過vTaskStartScheduler（）啟動(dòng)調(diào)度器，由FreeRTOS操作系統(tǒng)開始接管MCLJ，并按照預(yù)定的任務(wù)開始運(yùn)行。燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)采用事件觸發(fā)，當(dāng)有事件到來的時(shí)候，才喚醒MCU，使用這種控制方式能有效的降低系統(tǒng)功耗。

2.2.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行了自定義協(xié)議設(shè)計(jì)，對(duì)燃?xì)馐瞻l(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包與解包，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式，并且在數(shù)據(jù)傳輸中使用CRC16校驗(yàn)算法，確保傳輸?shù)男畔⒄_無誤。在整個(gè)抄表流程中，每個(gè)燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)劃分了固定的上傳時(shí)間片，集中器在固定的時(shí)間片上對(duì)燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)下發(fā)上傳指令，燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)收到集中器下發(fā)的信息后，將數(shù)據(jù)上傳給集中器節(jié)點(diǎn)。之后集中器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包上傳至數(shù)據(jù)中心。

本系統(tǒng)的無線抄表方式主要有三種，分別是定時(shí)抄表、單播抄表、廣播抄表。本系統(tǒng)抄表數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度為定長(zhǎng)35Byte，具體為設(shè)備號(hào)（2Byte）+表號(hào)（7Byte）+幀命令（2Byte）+載荷（24Byte）。其中，設(shè)備號(hào)為表具類型標(biāo)識(shí)代碼，表號(hào)為表具出場(chǎng)唯一標(biāo)識(shí)碼。幀命令為燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)與集中器內(nèi)協(xié)商的指令代碼，不同的幀命令可以實(shí)現(xiàn)不同的功能請(qǐng)求，如0x0201為顯示當(dāng)前累計(jì)氣量，0x0202為上月總用氣量等。在進(jìn)行首次傳輸之前，數(shù)據(jù)中心需要對(duì)集中器下發(fā)注冊(cè)指令，注冊(cè)該集中器所管理的燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)表具信息。當(dāng)注冊(cè)指令下發(fā)完成之后，燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)就可以通過LoRa透?jìng)髋c集中器進(jìn)行通信了。部分幀命令及含義如表1所示。

2.2.2 燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)主要完成兩個(gè)功能：一是完成燃?xì)獗淼挠?jì)量和存儲(chǔ)任務(wù)，二是通過LoRa模塊和集中器模塊發(fā)生數(shù)據(jù)交換，從而完成物聯(lián)網(wǎng)部分的功能。當(dāng)燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)收到集中器節(jié)點(diǎn)下發(fā)的命令時(shí)，數(shù)據(jù)首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。確保無誤之后，再根據(jù)命令幀中所請(qǐng)求的內(nèi)容對(duì)燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的操作，燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)軟件工作流程如圖4所示。

2.2.3 集中器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

集中器節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)了一個(gè)中轉(zhuǎn)站的任務(wù)，即一邊既需要通過LoRa透?jìng)髋c燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)通訊，另一邊也需要通過GPRS或運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通訊。其節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示。當(dāng)集中器收到數(shù)據(jù)中心下發(fā)的指令或燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后再判斷指令的來源。如果是來自燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)，那么根據(jù)幀命令儲(chǔ)存數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)中心。如果是來自數(shù)據(jù)中心的命令，則根據(jù)命令的操作對(duì)象來確定具體的操作流程。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

通過搭建測(cè)試環(huán)境，驗(yàn)證該抄表系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)集中器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)，集中器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)線連接交換機(jī)從而與PC機(jī)相聯(lián)，利用串口調(diào)試工具中的TCPClient功能建立TCP連接，從而相互發(fā)送數(shù)據(jù)。本次測(cè)試采用的測(cè)試參數(shù)為：LoRa射頻中心頻率470MHz，發(fā)射功率20dBm、SF-12、CR=4/6。

測(cè)試中，燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)發(fā)送虛擬采集數(shù)據(jù)給集中器節(jié)點(diǎn)，通過集中器收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)來判斷數(shù)據(jù)的丟包率。本次實(shí)驗(yàn)選取了兩種典型情況，一是在寬闊馬路的人行道上模擬空曠情況下的數(shù)據(jù)傳輸成功率。一種是通過在房間內(nèi)設(shè)置格擋來模擬在有格擋物條件下的數(shù)據(jù)傳輸成功率，格擋物采用190mm厚的空心磚墻。每次測(cè)試都以傳輸100個(gè)數(shù)據(jù)包為基準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

由表2、表3可知，隨著通訊距離的增加，數(shù)據(jù)丟包率逐漸上升。從在人行道上的測(cè)試結(jié)果來看，當(dāng)通訊距離小于2.16km時(shí)，丟包率小于13%，在可接受范圍內(nèi);從房屋內(nèi)的格擋物測(cè)試結(jié)果來看，在格擋面數(shù)小于7面的情況下，丟包率能滿足使用要求。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有通信距離長(zhǎng)、穿墻能力強(qiáng)、以及具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)無線智能抄表系統(tǒng)中。通過長(zhǎng)距離、低功耗的LoRa無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)關(guān)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與各燃?xì)獗碇g的通訊，從而實(shí)現(xiàn)表的實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控。

LoRa技術(shù)集成了傳輸距離遠(yuǎn)、誤碼率低、抗干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于房屋密集、通信環(huán)境比較復(fù)雜的傳輸場(chǎng)合。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)工作狀態(tài)良好、通訊距離滿足使用要求、同時(shí)組網(wǎng)便捷可靠。能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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