基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)LoRa通信技術(shù)的研究

葛世偉 高平 潘傳佑

摘 要：文中研究分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層4層架構(gòu)。通過無線LoRa調(diào)制技術(shù)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)感知層的要求，將數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)層后上傳到平臺層。研究開發(fā)了一組基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)要求的LoRa采集器和LoRa網(wǎng)關(guān)。最后通過組網(wǎng)通信測試驗證了LoRa采集器和LoRa網(wǎng)關(guān)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng);LoRa采集器;LoRa網(wǎng)關(guān)器;星型網(wǎng)絡(luò);通信;調(diào)制

中圖分類號：TP393;TN919.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱對于電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)行了工作部署，指出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層構(gòu)成，其中感知層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最底層，其主要功能在于負(fù)責(zé)信息采集和信號處理。通過感知識別技術(shù)使得物與物通過網(wǎng)絡(luò)連接。而網(wǎng)絡(luò)層通過現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，對來自感知層的信息進(jìn)行接入和傳輸。構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)層接駁感知層和平臺層，具有強大的紐帶作用[1-2]。

LoRa通信通過無線LoRa調(diào)制技術(shù)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)感知層的要求，將數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)層，并將數(shù)據(jù)上傳到平臺層。本文將基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)要求進(jìn)行LoRa通信技術(shù)的研究。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本概念

“泛在”即為“廣泛的存在”，是對傳統(tǒng)電力物聯(lián)網(wǎng)概念的拓展，應(yīng)用“大數(shù)據(jù)云智能”等現(xiàn)代信息通信技術(shù)（ICT）與便捷、靈活的新一代信息通信系統(tǒng)在線連接能源電力生產(chǎn)與消費各環(huán)節(jié)的人、機(jī)、物，承載貫通電網(wǎng)生產(chǎn)運行、企業(yè)經(jīng)營管理和對外客戶服務(wù)的數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流，實現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)全面感知、信息高效處理。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)其末端具有數(shù)以萬計的信息感知節(jié)點，將電力系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、用電側(cè)數(shù)據(jù)，與溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，以及與用電終端有關(guān)的市場報價、結(jié)算價格等交易數(shù)據(jù)納入所采集的數(shù)據(jù)類型中。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)能夠通過獲取或共享電力生產(chǎn)、傳輸與利用全環(huán)節(jié)、多類型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對智慧電力生態(tài)圈的全面

感知[3-4]。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)作為應(yīng)用于電網(wǎng)的工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)，其體系結(jié)構(gòu)在沿襲物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和平臺應(yīng)用層3層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了邊緣計算層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文將基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)中邊緣層通信網(wǎng)關(guān)的技術(shù)要求，將采用LoRa通信網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對設(shè)備感知層信息的采集，同時能夠?qū)⒃O(shè)備感知層信息傳送到云平臺層。

2 LoRa通信設(shè)備硬件設(shè)計

2.1 通信模組硬件配置

LoRa組網(wǎng)一般采用星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，以網(wǎng)關(guān)為中心，外部連接多個數(shù)據(jù)采集模塊，由于在現(xiàn)場可能有多個網(wǎng)關(guān)，分布多個LoRa網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)圖2對組網(wǎng)方式進(jìn)行說明。圖2假設(shè)配電房中分布有2個配電箱，每個配電箱中的設(shè)備由相互獨立的LoRa網(wǎng)絡(luò)組成，配電箱1的網(wǎng)絡(luò)1由網(wǎng)關(guān)A和采集模塊A1～AN組成，配電箱2的網(wǎng)絡(luò)2由網(wǎng)關(guān)B和采集模塊B1～BN組成，即不同的LoRa網(wǎng)絡(luò)工作在不同的信道，避免相互干擾。

圖2配電箱網(wǎng)絡(luò)中，LoRa 網(wǎng)關(guān)有2個模塊，分別為模塊A和模塊B，其中模塊A用于與LoRa采集模塊進(jìn)行電力參數(shù)采集通信，模塊B用于組網(wǎng)和接收采集模塊上傳的告警信息?，F(xiàn)場網(wǎng)關(guān)的LoRa模塊A均工作在不同的信道，而現(xiàn)場所有網(wǎng)關(guān)的LoRa模塊B均工作在相同的信道。LoRa網(wǎng)關(guān)具備“組網(wǎng)按鈕”，即按鈕按下時模塊B開啟組網(wǎng)模式;采集模塊出廠時默認(rèn)為組網(wǎng)模式，且出廠工作信道與網(wǎng)關(guān)的模塊B相同，并具備“復(fù)位按鈕”，即按鈕按下時采集模塊恢復(fù)到組網(wǎng)模式。

2.2 采集器硬件設(shè)計

LoRa采集模塊主要實現(xiàn)電力參數(shù)的采集與數(shù)據(jù)上傳，具體包含電源模塊，2路RS 485串口，2路數(shù)據(jù)DI，STM32F103單片機(jī)[5]。采集器硬件設(shè)計如圖3所示。

2.3 LoRa網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)采用高性能ARM處理器及Linux操作系統(tǒng)，主要功能為LoRa網(wǎng)絡(luò)組建、LoRa網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)傳輸及協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲等。在智能配電系統(tǒng)中，集中器是智能元件與服務(wù)器的橋梁：一是實現(xiàn)與智能元件的數(shù)據(jù)交換，根據(jù)服務(wù)器下發(fā)的指令接收智能元件的運行電氣數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程實現(xiàn)智能配電要求的“四遙”;二是根據(jù)智能配電系統(tǒng)設(shè)計要求，向上與服務(wù)器通信，將數(shù)據(jù)和事件傳送給服務(wù)器。

LoRa技術(shù)智能配電系統(tǒng)的集中器設(shè)備硬件電路功能模塊包括如下7個部分：

（1）輸入供電電源/復(fù)位監(jiān)控電路可為系統(tǒng)提供長時間工作的電源和復(fù)位監(jiān)控功能;

（2）系統(tǒng)狀態(tài)指示電路通過LED直觀顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài);

（3）中央處理單元為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心;

（4）PC機(jī)實現(xiàn)調(diào)試配置的USB/RS 232通信電路;

（5）將集中器的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)挠布娐凡糠职╓iFi硬件電路、以太網(wǎng)硬件電路、3G/4G通信模塊電路;

（6）LoRa通信技術(shù)模塊電路;

（7）存儲器電路存儲系統(tǒng)參數(shù)，具有遠(yuǎn)程升級功能，可以遠(yuǎn)程查詢和定時上報。

具體的LoRa網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計功能如圖4所示。

LoRa網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中承擔(dān)的任務(wù)較多，中央處理器芯片的選擇基于端口資源和運算能力兩方面。LoRa網(wǎng)關(guān)中央處理器主控芯片選用基于ARM公司生產(chǎn)的32位ARM9平臺[6]，具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 LoRa通信設(shè)備軟件設(shè)計

3.1 LoRa采集器軟件設(shè)計

LoRa采集器作為從機(jī)設(shè)備與LoRa網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)，LoRa采集器對處于接收網(wǎng)關(guān)的查詢報文進(jìn)行回復(fù)。LoRa采集器不僅需滿足MODBUS-RTU通信協(xié)議，還需要滿足DLT/645電力通信協(xié)議。LoRa采集器軟件功能流程如圖6所示。

3.2 LoRa網(wǎng)關(guān)軟件及組網(wǎng)軟件設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa采集器組網(wǎng)時需由LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)起組網(wǎng)請求，另外LoRa網(wǎng)關(guān)作為組網(wǎng)系統(tǒng)的主機(jī)，不僅可向下查詢采集器的信息，還可以向上通過以太網(wǎng)通信方式將信息傳送到DTU，從而將信息傳送到云端。LoRa網(wǎng)關(guān)軟件及組網(wǎng)軟件設(shè)計流程如圖7所示。

4 測試分析

網(wǎng)關(guān)與2個采集模塊組網(wǎng)，每個采集模塊下掛10只多功能電表，如圖8所示。

DTU后臺配置軟件數(shù)據(jù)監(jiān)視點表界面如圖9所示。

5 結(jié) 語

本文研究分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。LoRa通信通過無線LoRa調(diào)制技術(shù)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)感知層的要求將數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)層，之后上傳到平臺層。研究開發(fā)了一組基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)要求的LoRa采集器和LoRa網(wǎng)關(guān)，并通過組網(wǎng)通信測試證實了LoRa采集器和LoRa網(wǎng)關(guān)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中的穩(wěn)定性能。

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