基于LoRa自組網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 馳，吳麗莎，丁 蕾，陳 山，陳智鳴

(1.國(guó)網(wǎng)安慶供電公司，安徽 安慶 246000； 2.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

電力是人們生活中的必需品，科技的不斷進(jìn)步使得人們對(duì)于電力的需求量也越來(lái)越大。為了滿足人們的需求，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大。然而隨著城市的不斷擴(kuò)建和高層小區(qū)的不斷增多，現(xiàn)有的短距離無(wú)線查表設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離的查表需求[1-2]。如何設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)，對(duì)于社會(huì)穩(wěn)定以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

為了解決當(dāng)今通信技術(shù)上存在的問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]提出了一種RS485通信方式[3]，該方法雖然操作簡(jiǎn)單，便于抄表，但是需要專門布線連接，大范圍布線經(jīng)濟(jì)需求高，且易被外界干擾，因此不太實(shí)用。文獻(xiàn)[4]公開(kāi)了一種依靠ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)[4]，雖然能在一定程度上減少布線成本，但是其通信距離短，且功率損耗大，所以也不適合遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信。文獻(xiàn)[5]采用GSM、GPRS的無(wú)線傳輸技術(shù)[5]，雖然能遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)安全傳輸信息，但該方法需要的硬件環(huán)境很高，維護(hù)成本高，不利于大范圍使用。經(jīng)過(guò)總結(jié)和思索，本研究設(shè)計(jì)了一套相宜的解決方案，將如下闡明。

1 總體方案設(shè)計(jì)

據(jù)上文所述，本研究設(shè)計(jì)了基于LoRa自組網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)方案，通過(guò)LoRa無(wú)線通信與RS485通信方式配合A/D采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)信息采集快、準(zhǔn)確率高、遠(yuǎn)距離傳輸、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。本方案的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 方案總體結(jié)構(gòu)圖

從圖1可知，方案總體結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過(guò)智能電能表通過(guò)A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電流、電壓、功率等各種類型的用電信息，之后傳達(dá)至采集器，再到集中器。而專變用戶則通過(guò)特殊采集方法傳達(dá)至專變集中器。集中器和專變集中器通過(guò)LoRa無(wú)線通信和RS485通信兩種不同通信方式，滿足不同用戶的需求，傳輸至以太網(wǎng)絡(luò)中。

數(shù)據(jù)通信模塊的作用是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)橋接數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用模塊，中起關(guān)鍵作用的部分是路由器和交換機(jī)[6]。路由器會(huì)將不同用電數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至交換機(jī)，再由交換機(jī)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用模塊主要內(nèi)容是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)以及應(yīng)用，這也正是其他系統(tǒng)的作用。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

電能是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的重要能源，因此用電信息遠(yuǎn)距離通信技術(shù)需要不斷完善。為了解決傳統(tǒng)通信技術(shù)和用電信息采集系統(tǒng)存在的缺陷，本研究采用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)和A/D數(shù)據(jù)采集技術(shù)運(yùn)用至智能電能表結(jié)構(gòu)中，下面來(lái)分別闡述著兩種關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)于智能電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.1 LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)的設(shè)計(jì)

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)多種多樣，例如GSM、GPRS、藍(lán)牙、ZigBee等，它們各有利弊。與這些技術(shù)相比，LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于無(wú)線通信技術(shù)比較如表1所示。

表1 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比表

LoRa是一種低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，從表1可以看出，對(duì)比藍(lán)牙和ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)LoRa傳輸距離非常遠(yuǎn)，功率的損耗與藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)一樣低。而且LoRa 無(wú)線通信技術(shù)采用AES-128加密方式能夠很好的保證網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)陌踩煽俊Ｒ虼薒oRa無(wú)線傳輸技術(shù)很適合運(yùn)用在水表、電表和煤氣表等無(wú)線集抄領(lǐng)域[7-10]。

2.1.1 抗干擾技術(shù)

為了解決無(wú)線傳輸容易被干擾的問(wèn)題，本研究采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，該技術(shù)是將頻譜擴(kuò)頻通信技術(shù)與GFSK調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的一種新型調(diào)制解調(diào)技術(shù)。采用特殊的擴(kuò)頻技術(shù)，使同一網(wǎng)絡(luò)中的不同終端設(shè)備使用同一頻率同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，只要使用不同的擴(kuò)頻序列，數(shù)據(jù)就不會(huì)相互干擾[11-14]。擴(kuò)頻通信技術(shù)的流程步驟為：首先數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至調(diào)制器，調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)信道傳達(dá)至解調(diào)器解調(diào)；最后將信息還原。在擴(kuò)頻通信的過(guò)程中，利用偽隨機(jī)序列發(fā)生器分別連接在調(diào)制器和解調(diào)器上，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行延展和擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)。具體過(guò)程如圖3所示。

圖3 擴(kuò)頻通信技術(shù)流程圖

關(guān)于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的傳輸速度可用符號(hào)速率和碼片速率表示，通過(guò)兩速率之比得到擴(kuò)頻因子[15](SF,spreading factor)，關(guān)于擴(kuò)頻因子的定義式為:

(1)

其中:SF為擴(kuò)頻因子，VC為符號(hào)速率，RC為碼片速率。通過(guò)SF的大小來(lái)表示符號(hào)轉(zhuǎn)換成碼片的數(shù)目，可以清楚地表現(xiàn)誤碼率，分析系統(tǒng)的抗干擾能力。

與LoRa擴(kuò)頻技術(shù)傳輸速率有關(guān)參數(shù)還有數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬，增大信號(hào)的帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率就會(huì)提高[16]，該原理的表達(dá)式為:

(2)

其中:BW表示信號(hào)的帶寬。

由于誤碼率這個(gè)參數(shù)能夠直接影響數(shù)據(jù)傳輸速率，為了降低誤碼率，本研究通過(guò)前向糾錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。前向糾錯(cuò)技術(shù)是通過(guò)在程序中編入一列糾錯(cuò)碼，在出現(xiàn)錯(cuò)誤碼的時(shí)候自動(dòng)進(jìn)行改正，用來(lái)降低信號(hào)的誤碼率。在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，距離的不斷增加，傳輸信號(hào)的錯(cuò)碼率也會(huì)不斷增大，因此使用前向糾錯(cuò)技術(shù)是非常有必要的[17-19]。

2.1.2 低功耗技術(shù)

經(jīng)過(guò)以上兩種技術(shù)解決了遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸容易被干擾的問(wèn)題，接下來(lái)就是低功耗的技術(shù)設(shè)計(jì)。關(guān)于低功耗技術(shù)在無(wú)線傳輸技術(shù)這一塊非常重要，電源的供電決定著智能電能表中其他系統(tǒng)的健康運(yùn)行，通信系統(tǒng)的低功耗決定著整個(gè)智能電能表的使用時(shí)間和健康質(zhì)量[20]。關(guān)于LoRa無(wú)線通信模塊的低功耗技術(shù)主要取決于主控芯片和射頻芯片。

1)主控芯片：主控芯片占能耗的一部分。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，嘗試關(guān)閉未使用的外設(shè)和插針，如下拉或下拉。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)信號(hào)需要接收時(shí)，可以把主控芯片切換到相對(duì)低功耗的模式。此外，還可以通過(guò)軟件進(jìn)行優(yōu)化。

2)射頻芯片：射頻芯片占能耗的另外一部分。通常情況下，傳輸信號(hào)過(guò)程所消耗的能量要高于接收信號(hào)過(guò)程。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)不被傳輸時(shí)，會(huì)造成能耗和浪費(fèi)。因此，在功率優(yōu)化中，一方面可以通過(guò)增加分組間隔和降低傳輸速率來(lái)降低功耗。另一方面，可以通過(guò)軟件編程將射頻模塊設(shè)置為相應(yīng)的低功耗模式，以節(jié)省能耗。

2.2 A/D數(shù)據(jù)采集技術(shù)的設(shè)計(jì)

在信息大數(shù)據(jù)環(huán)境下，文獻(xiàn)[21]提出了一種WEB自動(dòng)采集程序的采集方法[21]，這種方法雖然采集范圍廣，且用時(shí)很快，但是依靠系統(tǒng)自動(dòng)篩選，準(zhǔn)確率很低。為了解決這種問(wèn)題，本研究選用基于A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)取決于A/D轉(zhuǎn)換器的性能，本研究將采用逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器中的ADC0809芯片。ADC0809芯片是8位采樣頻率，通過(guò)地址碼選擇其中一種信道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。關(guān)于其管腳示意圖如圖4所示。

如圖4所示，ADC0809芯片的兩旁一共有28條管腳。其中，IN0～I(xiàn)N7是8個(gè)信號(hào)輸入端；ADDA、ADDB和ADDC是3個(gè)不同的地址碼輸入端；Start是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端；EOC是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束端；ALE是地址鎖存允許信號(hào)端；D7～D0是8路模擬量輸出端；OE是數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)；CLK是時(shí)鐘信號(hào)；Vcc是+5 V的電源；ref(+)與ref(-)是基準(zhǔn)電壓；GND是接地；關(guān)于ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示，ADC0809芯片具有8個(gè)信號(hào)通道，在經(jīng)過(guò)地址將信號(hào)譯碼后通過(guò)比較器到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換情況狀態(tài)信號(hào)處于上升沿時(shí)，就必須使輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，控制器接收start信號(hào)就會(huì)使三態(tài)鎖存緩沖器處于開(kāi)始狀態(tài)。關(guān)于具體的ADC0809芯片工作信號(hào)時(shí)間圖如圖6所示。

圖6 ADC0809芯片工作信號(hào)時(shí)間圖

從圖6中可知，ADC0809芯片信號(hào)輸入過(guò)程中start信號(hào)與ALE允許輸入信號(hào)同時(shí)進(jìn)行，此為信號(hào)通道選擇過(guò)程，關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸，可以使用三種方式[22-23]。

1)定時(shí)傳送方式：通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序。一旦延遲時(shí)間到了，轉(zhuǎn)換必須已經(jīng)完成，然后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。

2)查詢方式：通過(guò)在A/D轉(zhuǎn)換芯片中設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)信號(hào)指示器，可以查詢轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。比如我們可以通過(guò)查詢來(lái)測(cè)試EOC的情況，這樣做是為了確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，方便立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。

3)中斷方式：通過(guò)將表明轉(zhuǎn)換結(jié)束的狀態(tài)信號(hào)(EOC)改造為中斷請(qǐng)求信號(hào)，可以在中斷情況下立即進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。

不管上述方法如何，一旦確定轉(zhuǎn)換完成，就可以通過(guò)指令來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。首先，當(dāng)?shù)刂繁话l(fā)送并且信號(hào)有效時(shí)，OE信號(hào)有效，并且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPU到達(dá)LoRa通信模塊。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了證明本研究所采用的方案可靠實(shí)用，下面對(duì)LoRa無(wú)線通信技術(shù)和A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這兩種技術(shù)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1 LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)仿真設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離傳輸且功率損耗低，針對(duì)實(shí)際情況本研究設(shè)計(jì)出LoRa無(wú)線通信模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 LoRa無(wú)線通信模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖7所示，當(dāng)A/D采集系統(tǒng)采集到用電數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)由接受數(shù)據(jù)模式切換到發(fā)送數(shù)據(jù)模式，將用電數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線到達(dá)天線進(jìn)行空中發(fā)射。若有信號(hào)輸入，發(fā)射完成立刻轉(zhuǎn)換為接收數(shù)據(jù)模式；若無(wú)信號(hào)輸入，則進(jìn)入休眠模式。

在有了LoRa無(wú)線通信模塊硬件和軟件的基礎(chǔ)后，下面將進(jìn)行對(duì)遠(yuǎn)距離抗干擾技術(shù)和低功耗技術(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試。

3.1.1 抗干擾技術(shù)仿真測(cè)試

在遠(yuǎn)距離通信過(guò)程中，周圍環(huán)境的干擾會(huì)嚴(yán)重影響通信效果，因此本次實(shí)例測(cè)試盡量選取干燥空曠的環(huán)境。本次測(cè)試采取不同通信距離，在相同傳輸速率和帶寬的條件下，對(duì)SF8和SF12兩種不同的擴(kuò)頻因子對(duì)通信性能進(jìn)行10次測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可見(jiàn)，在4 500 m范圍內(nèi)，本研究所采用的基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)傳輸無(wú)丟包。在8千米范圍內(nèi)，高也只有9%的丟包率，完全證實(shí)了LoRa能夠適用于通信8 km距離。此外，在8 km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的值可達(dá)-148 dBm，驗(yàn)證了本方案設(shè)計(jì)LoRa通信性能具有較高的抗干擾能力。

表2 LoRa通信性能測(cè)試結(jié)果

3.1.2 低功耗技術(shù)仿真測(cè)試

由上述2.1.2部分得知，LoRa無(wú)線通信模塊的低功耗技術(shù)主要取決于主控芯片和射頻芯片。為了設(shè)計(jì)出低功耗的LoRa通信模塊，本研究設(shè)計(jì)出休眠模式、接受數(shù)據(jù)模式和發(fā)送數(shù)據(jù)模式3種LoRa工作模式，通過(guò)用數(shù)字萬(wàn)能表來(lái)測(cè)試對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸不同周期的損耗情況，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 LoRa通信模塊損耗測(cè)試結(jié)果

如表3所示，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)包周期為1分鐘之內(nèi)，LoRa通信模塊功耗較高但均可以使用很長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)包周期為1小時(shí)和1天時(shí)，LoRa通信模塊功耗非常低，可以用大約5年和10年的時(shí)間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本方案設(shè)計(jì)的LoRa通信性能擁有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)基于ADC0809芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠運(yùn)行，首先需要相關(guān)的軟件編程語(yǔ)言。關(guān)于數(shù)據(jù)采集程序流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

在A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序編寫完成之后，為了驗(yàn)證本研究所采用的A/D采樣技術(shù)比文獻(xiàn)[21]中的WEB自動(dòng)采集程序準(zhǔn)確率要高，下面將進(jìn)行仿真對(duì)比。本研究分別A/D采樣技術(shù)和WEB自動(dòng)采集程序?qū)δ吵鞘懈邔有^(qū)用戶的用電信息進(jìn)行采集，其中數(shù)據(jù)量最大為2TB，通過(guò)對(duì)比采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同采集方法準(zhǔn)確率對(duì)比圖

如圖9所示，在數(shù)據(jù)量0～0.5 TB范圍內(nèi)，兩種采集方法均能100%準(zhǔn)確采集。在數(shù)據(jù)量0.5～1.0 TB范圍內(nèi)，WEB自動(dòng)采集程序剛開(kāi)始準(zhǔn)確率依然是100%，然而隨著數(shù)據(jù)量的增大，兩種方法準(zhǔn)確率均處于下降趨勢(shì)，在數(shù)據(jù)量達(dá)到1.0 TB時(shí)兩者持平。在數(shù)據(jù)量1.0～2.0 TB范圍內(nèi)，A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確率均高于WEB自動(dòng)采集程序，且隨著數(shù)據(jù)量的增加，A/D數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯，最后，當(dāng)數(shù)據(jù)量為2.0 TB時(shí)，其準(zhǔn)確率比WEB自動(dòng)采集程序高出3%左右。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示本研究設(shè)計(jì)的A/D采樣技術(shù)具有精度高的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)現(xiàn)有的智能電能表用電信息采集系統(tǒng)中通信模塊進(jìn)行了改良和革新，設(shè)計(jì)了一套新型方案，該方案采用LoRa無(wú)線通信技術(shù)，替代傳統(tǒng)的無(wú)線通信方式，使其在數(shù)據(jù)能夠遠(yuǎn)距離傳輸且具有丟包率低、防干擾能力強(qiáng)和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，本研究還采用基于ADC0809芯片的A/D轉(zhuǎn)換器提高用電信息采集的準(zhǔn)確率問(wèn)題。本方案設(shè)計(jì)符合國(guó)家提出的智能電網(wǎng)的要求，也切合智能家居物聯(lián)的趨勢(shì)，能夠很好滿足經(jīng)濟(jì)實(shí)惠遠(yuǎn)距離傳輸信息的需求。依托 LoRa無(wú)線通信技術(shù)，本研究在以后也可以考慮針對(duì)此通信方式的組網(wǎng)算法以及對(duì)行業(yè)應(yīng)用的研究。