基于LoRa 的智能電表通信方案設(shè)計(jì)

劉羽軒 ，蔡高琰 ，梁炳基 ，駱德漢 ，何家峰

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣東浩迪創(chuàng)新科技有限公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

當(dāng)前新型智能電表普遍采用無線通信方案，無線通信技術(shù)有 GPRS、ZigBee、LoRa 等。 在無線通信技術(shù)中，遠(yuǎn)程(Long Range，LoRa)是一種采用擴(kuò)頻技術(shù)的無線傳輸方案，具有遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)[1-2]，其特性適合用于智能電表的通信。但其也存在著可靠性低、容量過少的問題[3-5]。因此，本文研究一種基于LoRa 的使用新型組網(wǎng)協(xié)議的通信方案，致力于消除LoRa 的不足，使其更加適合于智能電表通信。

1 通信方案架構(gòu)及工作原理

本方案的總體構(gòu)架如圖1 所示。 在通信系統(tǒng)中分為采集器節(jié)點(diǎn)和電表節(jié)點(diǎn)，基于LoRa 的智能電表節(jié)點(diǎn)中搭載了LoRa 功能的傳感器，電力數(shù)據(jù)通過LoRa 無線通信單元經(jīng)過中繼多跳網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到采集器節(jié)點(diǎn)的接收模塊，采集器節(jié)點(diǎn)通過GPRS 將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器[6-7]。 其中電表節(jié)點(diǎn)和采集器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸使用的中繼多跳組網(wǎng)協(xié)議，可有效解決當(dāng)采集器和電表節(jié)點(diǎn)過遠(yuǎn)時出現(xiàn)的問題。

圖1 總體架構(gòu)

2 LoRa 中繼多跳組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)

LoRa 模塊的傳輸方式分為透明傳輸和定向傳輸[7-8]。 其中透明傳輸采用的是 LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)來進(jìn)行，同時提供 RS485 和 RS232 串口，為用戶提供全透明數(shù)據(jù)傳輸模式，也為建立中級多跳網(wǎng)絡(luò)提供了便利。 本文設(shè)計(jì)的中繼多跳組網(wǎng)協(xié)議即在透明傳輸?shù)幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

2.1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中繼多跳通信時需要兩電表節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，所以兩電表的LoRa 模塊配置也應(yīng)設(shè)置相同[9-11]。電表節(jié)點(diǎn)基于LoRa 透傳的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)置見表1。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2.2 中繼多跳傳輸協(xié)議設(shè)定

中繼多跳傳輸協(xié)議執(zhí)行步驟如圖2 所示。

具體步驟如下：

(1)判斷電表節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)幀中的CA 與其本地地址是否相同。 若相同，執(zhí)行第(2)步；否則執(zhí)行第(5)步。

圖2 協(xié)議幀執(zhí)行步驟

(2)判斷接收的數(shù)據(jù)幀中的 CA 是不是為 TL 中電表節(jié)點(diǎn)詳細(xì)地址表中最后一個地址。 若不是，執(zhí)行第(3)步；若是，則執(zhí)行第(4)步。

(3)將TL 的電表節(jié)點(diǎn)詳細(xì)地址表中的下一個傳輸?shù)刂诽畛涞絺鬏敂?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中的CA，然后廣播進(jìn)行發(fā)送。

(4)若數(shù)據(jù)幀中的CA 是電表節(jié)點(diǎn)詳細(xì)地址表最后一個地址，則說明中繼通信完成，該電表節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容解析并做出相應(yīng)操作。 響應(yīng)數(shù)據(jù)時，需要將接收到的數(shù)據(jù)幀中的TL 進(jìn)行反轉(zhuǎn)，隨后重新配置CA。

(5)若電表節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)幀中的CA 與電表節(jié)點(diǎn)的本地地址不一致，則不響應(yīng)。

(6)若電表節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)幀中的CA 是十六進(jìn)制，那么判斷電表節(jié)點(diǎn)的本地地址是否在電表節(jié)點(diǎn)詳細(xì)地址表中。 如果在，則表示該數(shù)據(jù)幀被當(dāng)前電表節(jié)點(diǎn)中繼過，可以不作響應(yīng)；如果不在，則表示此數(shù)據(jù)幀是廣播數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容進(jìn)行解析并做出相應(yīng)操作。

2.3 中繼多跳組網(wǎng)鏈路

將本協(xié)議移植到電表節(jié)點(diǎn)中，即可實(shí)現(xiàn)電表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中繼多跳傳輸，其組網(wǎng)鏈路模型如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)鏈路模型

圖 3 中，A 表示采集器節(jié)點(diǎn)，B～K 表示 LoRa 電表節(jié)點(diǎn)，其組網(wǎng)鏈路過程如下：

(1)節(jié)點(diǎn)A 通過廣播發(fā)出十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)幀，對各個電表節(jié)點(diǎn)設(shè)備標(biāo)號進(jìn)行獲取。

(2)收到廣播的數(shù)據(jù)幀后，B～K 電表節(jié)點(diǎn)將自己設(shè)備標(biāo)號中繼發(fā)送至A，A 對各電表節(jié)點(diǎn)的本地地址進(jìn)行分配。

(3)B、C、D 即為一級電表節(jié)點(diǎn)設(shè)備，由 A 直接分配地址。

(4)已經(jīng)分配好地址的 B、C、D 等一級電表節(jié)點(diǎn)設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行中繼廣播；E、F、G、H、I 即為二級電表節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通過已經(jīng)分配地址的一級電表進(jìn)行地址分配，如 B 給 E、F 進(jìn)行分配地址，以此類推，直到整個中繼多跳網(wǎng)絡(luò)形成。

3 智能電表通信模塊硬件設(shè)計(jì)

在智能電表通信系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的基于LoRa 透明傳輸?shù)闹欣^多跳網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)通信過程中的狀態(tài)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，需要分別對電表節(jié)點(diǎn)和采集器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

3.1 電表節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

電表節(jié)點(diǎn)的主要功能是對用電量進(jìn)行實(shí)時采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給采集器，實(shí)現(xiàn)與采集器之間的通信[12]。 其硬件框圖如圖 4 所示。

圖4 電表節(jié)點(diǎn)硬件框圖

本文選取HD-TB01 單相電表作為基表，使用STM32 系列芯片作為 LoRa 模塊的主控 MCU，射頻收發(fā)芯片選用SX1278 芯片。其中，MCU 電路為整個模塊的大腦，主要對射頻芯片進(jìn)行控制，支撐其完成數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送；射頻芯片則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收；接口電路完成LoRa 模塊與基表之間的通信，使用 RS232 串口通信。

3.2 采集器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

采集器節(jié)點(diǎn)是中繼多跳網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)(GPRS)的中間環(huán)節(jié)[13-14]，主要負(fù)責(zé)采集電表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 采集器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

本文選用C121-GL 云終端采集器作為采集器基表，與電表節(jié)點(diǎn)相同，使用 STM32 系列芯片作為LoRa 模塊的主控 MCU，射頻收發(fā)芯片選用 SX1278芯片，采用RS232 串口通信與采集器基表進(jìn)行通信，其主要流程為：通過射頻收發(fā)模塊采集電表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過MCU 模塊處理，再通過GPRS 模塊發(fā)送至服務(wù)器。

4 智能電表通信模塊軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，遵循智能電表DL/T645-2007 規(guī)約以及GBDW-1375 系列協(xié)議，設(shè)計(jì)基于 LoRa透明傳輸?shù)闹欣^多跳組網(wǎng)方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 其軟件設(shè)計(jì)包括組網(wǎng)的功能設(shè)計(jì)和電表節(jié)點(diǎn)、采集器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。

4.1 LoRa 組網(wǎng)功能設(shè)計(jì)

LoRa 采集器節(jié)點(diǎn)使用中級多跳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議前必須進(jìn)行采集器節(jié)點(diǎn)和電表節(jié)點(diǎn)無線組網(wǎng)，其組網(wǎng)設(shè)計(jì)流程如下：

(1)采集器上電后發(fā)送啟動注冊的廣播幀。

(2)電表收到廣播幀后，如幀內(nèi) LoRa 參數(shù)與電表一致，則上報(bào)帶表號的注冊幀。

(3)采集器收到電表上報(bào)的注冊幀后，若該電表在采集器的配置表上，則回應(yīng)確認(rèn)幀；如電表不在采集器配置表上，則回應(yīng)拒絕注冊幀。 電表收到拒絕幀，且?guī)瑑?nèi) LoRa 參數(shù)與電表一致，立即跳到下一頻段等待注冊。

(4)電表收到確認(rèn)幀，且?guī)瑑?nèi) LoRa 參數(shù)與電表一致，則認(rèn)為是注冊成功，無需再返回應(yīng)答幀，保持在當(dāng)前通信頻率等待采集器抄讀，不再響應(yīng)廣播幀。

(5)采集器 5 s 內(nèi)未收到電表上報(bào)幀，則重發(fā)廣播幀。

(6)當(dāng)采集器判斷配置表內(nèi)所有表均已上報(bào)或已抄到過數(shù)據(jù)，或者5 s 內(nèi)無電表上報(bào)且注冊流程已超過20 s，則結(jié)束注冊流程，繼續(xù)抄表。

(7)如果采集器上一次注冊流程未完成所有電表注冊，因超時而結(jié)束，則等待其他抄表任務(wù)結(jié)束后繼續(xù)啟動注冊流程。

(8)電表長時間(暫定30 min)未收到采集器的廣播幀或?qū)υ撾姳淼某x幀，則重新進(jìn)入注冊狀態(tài)，嘗試跳頻以確定對應(yīng)采集器的通信頻率。

4.2 電表節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于LoRa 的電表節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

在電表節(jié)點(diǎn)中，LoRa 模塊首先會通過RS232 串口與智能電表基表進(jìn)行第一輪交互，以獲取基表的自身信息并進(jìn)行自身信息的初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化，然后請求加入由采集器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的中繼多跳網(wǎng)絡(luò)。成功加入后，當(dāng)電表接收到來自采集器發(fā)送的信息后，首先會使用校驗(yàn)來檢查接收到的數(shù)據(jù)，如果確認(rèn)無誤，就提取數(shù)據(jù)報(bào)文中相關(guān)系列報(bào)文并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，隨后將數(shù)據(jù)通過RS232 接口傳送給智能電表基表。 智能電表基表解析后，又通過 RS232 接口獲取返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)通過中繼多跳組網(wǎng)協(xié)議打包發(fā)送到采集器節(jié)點(diǎn)，至此完成了一輪數(shù)據(jù)采集。

4.3 基于LoRa 的采集器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

與電表節(jié)點(diǎn)相比，采集器節(jié)點(diǎn)功能更加復(fù)雜，因?yàn)槠洳粌H需要與電表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，還需要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器[15]。 采集器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖 7 所示。

圖6 電表節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

在采集器節(jié)點(diǎn)中，LoRa 模塊首先會通過RS232串口與采集器基表進(jìn)行第一輪的交互，以獲取采集器的表號等自身信息以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并進(jìn)行自身的初始化，然后掃描信道，若信道沒有阻塞則建立本地通信網(wǎng)絡(luò)即中繼多跳網(wǎng)絡(luò)。 待組網(wǎng)成功后進(jìn)入監(jiān)聽模式。

監(jiān)聽的內(nèi)容分為服務(wù)器的消息和電表節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求，其處理如下：

圖7 采集器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

(1)當(dāng)監(jiān)聽到服務(wù)器通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送過來的采集信息時，需要先對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。 若為正常數(shù)據(jù)， 則按照協(xié)議對服務(wù)器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過數(shù)據(jù)內(nèi)容判斷采集器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該采取的動作，是將采集器節(jié)點(diǎn)本身的信息上傳還是對電表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 若為上傳本身數(shù)據(jù)的指令，則將數(shù)據(jù)記錄的同時通過RS232 串口向采集器基表傳送該指令，采集器基表對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)后，通過GPRS公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器；若接收到的信息為抄讀電表節(jié)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)，則首先以中繼多跳協(xié)議所組成的LoRa 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行索引，找到該電表，與該電表建立通信后，將數(shù)據(jù)包按照自定義的中繼多跳協(xié)議進(jìn)行封裝和打包，并在對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄后由中繼多跳網(wǎng)絡(luò)傳送給指定電表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。 完成操作后繼續(xù)監(jiān)聽。

(2)當(dāng)監(jiān)聽到的消息為電表節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求時，則讀取申請者的設(shè)備信息，并將其關(guān)聯(lián)，允許其加入網(wǎng)絡(luò)并繼續(xù)監(jiān)聽。

5 整體方案測試及分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的智能電表通信方案比普通LoRa 網(wǎng)絡(luò)是否有顯著提升，本文根據(jù)實(shí)用場景，設(shè)計(jì)了兩種測試方式，分別是空曠環(huán)境和樓房環(huán)境下的通信測試，并與普通LoRa 模塊通信的智能電表進(jìn)行對比，將采集的成功率作為衡量方案可行性的依據(jù)。

首先在服務(wù)器中對參與實(shí)驗(yàn)的仿真環(huán)境中的采集器節(jié)點(diǎn)和電表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建檔，然后讓服務(wù)器下發(fā)指令，使得采集器對智能電表的電量信息進(jìn)行輪抄，重復(fù)采集3 次。 其在空曠環(huán)境下的結(jié)果對比如表2 所示，樓房環(huán)境下的結(jié)果對比如表3 所示。

表2 空曠環(huán)境下的對比

表3 樓房環(huán)境下的對比

通過采集器對各個電表節(jié)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行400 次重復(fù)采集，能夠完整采集電力數(shù)據(jù)即為采集成功，通過采集成功次數(shù)獲得采集成功率。

通過對比，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的基于LoRa 的新型通信方案在智能電表通信中有更好的表現(xiàn)，使用中繼多跳網(wǎng)絡(luò)時，即使樓層較高或距離較遠(yuǎn)，采集成功率仍能保持較高水平，并且隨著距離和樓層的增加，成功率降低的速度也較小。 因?yàn)楫?dāng)需要抄讀更遠(yuǎn)距離的電表數(shù)據(jù)時，本文設(shè)計(jì)方案會通過中繼多跳的方式將較遠(yuǎn)距離的電表數(shù)據(jù)先傳輸給近距離的電表，隨后進(jìn)行上傳以保證數(shù)據(jù)采集的成功率。

6 結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)的日益成熟，對更智能化的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求也更加迫切，本文設(shè)計(jì)了智能電表新型通信方案，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，雖由于不可控原因存在較小誤差，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是較好地證明了該方案的可行性。