ChirpLAN低功耗協(xié)議在智能水表上的應(yīng)用

摘 要：在智能水務(wù)中，無(wú)線抄表方案存在無(wú)線穿透能力欠佳、無(wú)線功耗較大等問(wèn)題，并且需要契合國(guó)家針對(duì)民生工程的國(guó)產(chǎn)化要求。為此，在一個(gè)居民樓的試點(diǎn)改造工程里，借助國(guó)產(chǎn)的無(wú)線通信技術(shù)ChirpLAN低功耗協(xié)議，精心設(shè)計(jì)并推行了一套水表無(wú)線采集、控制及傳輸?shù)墓芾硐到y(tǒng)。經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試，該無(wú)線系統(tǒng)的穿透性和功耗均滿足施工方需求。實(shí)踐證明，國(guó)產(chǎn)的ChirpLAN低功耗協(xié)議完全能夠滿足智能水務(wù)無(wú)線化的功能和性能要求，對(duì)智能水務(wù)的國(guó)產(chǎn)無(wú)線解決方案具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：ChirpLAN；國(guó)產(chǎn)LoRa；ChirpIoT；低功耗；無(wú)線抄表；MAPM；智能水務(wù)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）07-00-07

0 引 言

近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)的日益成熟，智能水表集抄系統(tǒng)逐漸向全無(wú)線抄收升級(jí)。然而，目前很多水表仍采用人工抄表方式。許多居民用戶的水表由于早期安裝時(shí)未考慮智能化升級(jí)改造需求，若要重新改造則涉及重新布線、電源整改，施工的復(fù)雜度和成本費(fèi)用都制約著智能化水表的應(yīng)用。隨著智慧城市信息化管理要求的提高，智能水務(wù)將成為智慧城市管理信息化水平的標(biāo)志之一，而無(wú)線通信是智能水務(wù)中的核心技術(shù)。但無(wú)線通信的穿透性、穩(wěn)定性、功耗和成本等因素制約著其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。近些年，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體芯片公司不斷發(fā)展，催生了許多不錯(cuò)的技術(shù)?，F(xiàn)有的智能水表中，已用到了NB-IoT、LoRa、ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)[1-3]。此外，近些年在一些涉及民生領(lǐng)域的工程中，芯片國(guó)產(chǎn)化、系統(tǒng)采用的芯片自主可控也變得尤為重要。為此本文嘗試研究基于國(guó)產(chǎn)無(wú)線通信芯片的ChirpLAN低功耗協(xié)議在智能水表中的應(yīng)用與實(shí)踐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要對(duì)某試點(diǎn)小區(qū)整棟居民樓的水表信息進(jìn)行監(jiān)控。其功能包括將終端用戶水表采集的數(shù)據(jù)上報(bào)給自來(lái)水管理系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)控居民用戶水表的工作狀態(tài)是否異常，還可對(duì)水表的遠(yuǎn)程供水閥門(mén)加以控制。因?yàn)樵撓到y(tǒng)屬于改造項(xiàng)目，要盡可能避免線纜改造，所以需要一種無(wú)線解決方案。本系統(tǒng)采用上海磐啟微電子有限公司自主研發(fā)的ChirpIoT芯片PAN3029，并基于其研發(fā)的ChirpLAN協(xié)議開(kāi)展系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)施工作。鑒于大部分現(xiàn)有的水表端沒(méi)有市電接口供電，所以采用電池供電的方案，這就需要考慮系統(tǒng)低功耗的要求。本系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求，重點(diǎn)采用ChirpLAN協(xié)議低功耗部分的Mode B模式進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

本系統(tǒng)是智能水表管理系統(tǒng)[4]的一部分，主要負(fù)責(zé)無(wú)線組網(wǎng)和傳輸控制工作，采用現(xiàn)有的智能水表作為電表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要包含三個(gè)部分：

（1）無(wú)線水表采集控制單元：負(fù)責(zé)采集水表信息，經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入單元將信息上報(bào)給自來(lái)水處理單元，同時(shí)接收來(lái)自自來(lái)水控制單元的控制信息。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)一棟樓的采集控制單元數(shù)量為50個(gè)，這一數(shù)量主要受樓層高度和住戶個(gè)數(shù)的限制。

（2）無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入單元： 網(wǎng)關(guān)一側(cè)通過(guò)ChirpIoT網(wǎng)絡(luò)與水表采集單元通信，另一側(cè)則通過(guò)以太網(wǎng)與自來(lái)水?dāng)?shù)據(jù)處理單元的云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在試點(diǎn)過(guò)程中，由于采用的ChirpIoT通信技術(shù)在樓宇內(nèi)覆蓋范圍廣，所以試點(diǎn)樓棟僅需一個(gè)網(wǎng)關(guān)接入單元就能與整棟樓的50個(gè)采集控制單元進(jìn)行通信。

（3） 自來(lái)水?dāng)?shù)據(jù)的處理單元：該部分屬于自來(lái)水業(yè)務(wù)層的云服務(wù)端。本系統(tǒng)只需通過(guò)Internet按照規(guī)定協(xié)議命令與其交互，完成相應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯即可。若要進(jìn)行Internet訪問(wèn)，則通過(guò)網(wǎng)關(guān)端的以太網(wǎng)接入即可。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分主要分為無(wú)線水表采集單元、無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入單元，核心部分是無(wú)線通信部分。下面介紹關(guān)鍵硬件模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 水表采集控制單元

水表采集控制單元主要放置于水井房中，采用電池供電，水表采用現(xiàn)有成熟的智能水表，其可以將用水量通過(guò)UART上傳，并且可以控制水閥開(kāi)閉。UART數(shù)據(jù)被傳送到MCU主控芯片，然后MCU通過(guò)SPI接口控制無(wú)線模塊PAN3029，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線通信和控制，同時(shí)確保一些低功耗策略和ChirpLAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行。水表采集控制單元框圖如圖2所示。

2.2 水表端無(wú)線通信單元

在無(wú)線通信部分，水表端有著極為苛刻的低功耗要求。為此，本系統(tǒng)選用了上海磐啟微電子有限公司自主研發(fā)的第二代類LoRa技術(shù)[5]芯片PAN3029。這一芯片屬于低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)芯片，采用ChirpIoT調(diào)制解調(diào)技術(shù)，支持半雙工無(wú)線通信，工作頻段為408～565 MHz以及816～ 1 080 MHz。它具備高抗干擾性、高靈敏度、低功耗和超遠(yuǎn)傳輸距離等特性，靈敏度最高可達(dá)-143 dBm，最大輸出功率為20 dBm，能夠產(chǎn)生業(yè)界領(lǐng)先的鏈路預(yù)算，這使其成為遠(yuǎn)距離傳輸以及對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用的最佳選擇。此外，該芯片為純國(guó)產(chǎn)，擁有獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該芯片的核心指標(biāo)見(jiàn)表1。

本系統(tǒng)采用的是SPI接口，圖3所示為無(wú)線模塊和MCU的電路設(shè)計(jì)。

2.3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入單元

網(wǎng)關(guān)模組是一款基于PAN3029芯片設(shè)計(jì)的單天線多通道收發(fā)網(wǎng)關(guān)模組。其內(nèi)置M4處理器，集成PA、LNA，可高效完成ChirpIoT數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。該模塊工作于470～ 510 MHz頻段，支持速率自適應(yīng)和通信數(shù)據(jù)AES加密功能。用戶能夠通過(guò)SPI接口驅(qū)動(dòng)此模塊，并且網(wǎng)關(guān)模塊支持RF數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、參數(shù)配置等接口，便于用戶使用。此網(wǎng)關(guān)模組具備諸多特性，可廣泛應(yīng)用于一對(duì)多星型網(wǎng)絡(luò)[6]，支持大容量終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，支持ChirpLAN Mode A/B/C協(xié)議，適用于多應(yīng)用場(chǎng)景。網(wǎng)關(guān)模組內(nèi)置8個(gè)PAN3029，其中1個(gè)為前級(jí)，7個(gè)為后級(jí)。前級(jí)既可用于接收，也可用于發(fā)送，而后級(jí)只能用于接收。網(wǎng)關(guān)的核心硬件框圖如圖4所示。

在多通道網(wǎng)關(guān)模塊外部再接一個(gè)主控單元，該主控單元上集成以太網(wǎng)、USB等用戶接口，如此便能實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)關(guān)的全部功能。在本項(xiàng)目中，依據(jù)業(yè)務(wù)邏輯需求，選用小巧的樹(shù)莓派作為主控，最終實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)整機(jī)如圖5所示。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分主要涉及水表的采集傳輸、控制，網(wǎng)關(guān)端與各采集單元的通信，以及水表與云端的數(shù)據(jù)交互。采集控制屬于較為成熟的技術(shù)，在此不過(guò)多闡述。本系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是低功耗組網(wǎng)技術(shù)，所以重點(diǎn)介紹低功耗通信組網(wǎng)部分。通信包括組網(wǎng)和傳輸，組網(wǎng)協(xié)議采用上海磐啟微電子有限公司ChirpLAN無(wú)線通信協(xié)議的低功耗模式（Mode B），并針對(duì)不同采集單元進(jìn)行不同的應(yīng)用與介紹。

3.1 無(wú)線通信協(xié)議

ChirpLAN目前是一種基于ChirpIoT?通信技術(shù)[7]的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采用按需可靠的數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制，適用于遠(yuǎn)距離低功耗的小型局域網(wǎng)（LAN）。該協(xié)議支持Mode A/B/C等不同模式。本系統(tǒng)根據(jù)需求，采用Mode B模式。下面介紹該模式的工作機(jī)制。

Mode B模式定義為周期同步模式，支持的功能說(shuō)明如下：

（1）Mode B系統(tǒng)執(zhí)行周期分為下行時(shí)隙和上行時(shí)隙。在下行時(shí)隙中，網(wǎng)關(guān)用于下發(fā)Beacon以及向終端下發(fā)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)MAPM功能可以喚醒終端（在下行時(shí)隙，終端開(kāi)啟周期性CAD喚醒監(jiān)聽(tīng)功能）。在上行時(shí)隙，終端會(huì)根據(jù)入網(wǎng)分配的上行時(shí)隙，在各自的上行時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，是否需要上行數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)BC廣播中的上行標(biāo)志決定。

（2）終端具有較低的功耗，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)按需有序上行，且可以在下行時(shí)隙實(shí)時(shí)被喚醒，在低功耗和實(shí)時(shí)性方面實(shí)現(xiàn)了完美結(jié)合。

（3）終端入網(wǎng)后會(huì)自動(dòng)與網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，并周期性地接收Beacon，從而實(shí)現(xiàn)終端與網(wǎng)關(guān)保持時(shí)間同步。時(shí)序圖如圖6所示。

上行時(shí)隙流程如下：

（1）為了避免終端同時(shí)上行，導(dǎo)致終端相互干擾、信道擁擠、收包率降低，在終端入網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)根據(jù)各終端的ID分配對(duì)應(yīng)的上行時(shí)隙號(hào)，終端只有在自己規(guī)定的時(shí)隙號(hào)到達(dá)時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）上行時(shí)隙的時(shí)隙長(zhǎng)度由終端使用的RF參數(shù)和發(fā)包長(zhǎng)度決定，推薦值最小應(yīng)不小于終端的發(fā)包時(shí)間。

（3）可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中終端數(shù)量及上報(bào)周期的需求來(lái)調(diào)整上行時(shí)間長(zhǎng)度。

下行時(shí)隙空中喚醒功能示意圖如圖7所示。

3.2 水表采集控制單元軟件設(shè)計(jì)

水表采集單元部分對(duì)低功耗有著很高的要求。PAN3029芯片針對(duì)此類組網(wǎng)低功耗應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種特殊的地址匹配模式：MAPM（Multi-Address Preamble Mode）。這種模式的核心思想為在芯片的硬件層面實(shí)現(xiàn)不同終端地址的喚醒匹配，這最大程度地減少了終端射頻接收端的開(kāi)窗時(shí)間，并且盡可能保證了終端通信的實(shí)時(shí)性。MAPM的通信時(shí)序如圖8所示。

水表端實(shí)際進(jìn)行射頻工作時(shí)，與網(wǎng)關(guān)配合的時(shí)序圖示意圖如圖9所示。多個(gè)水表定時(shí)喚醒，喚醒后射頻打開(kāi)一個(gè)很小的窗口。網(wǎng)關(guān)會(huì)周期性發(fā)送一個(gè)較長(zhǎng)的喚醒前導(dǎo)碼，若水表檢測(cè)到當(dāng)前喚醒數(shù)據(jù)為自己的ID，則繼續(xù)接收無(wú)線數(shù)據(jù)直至接收完畢，同時(shí)在自己的上行時(shí)隙中將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。如此既確保了通信的實(shí)時(shí)性，又降低了系統(tǒng)功耗。

3.3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入單元軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)端需要實(shí)現(xiàn)以下功能：接收終端數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到云端相關(guān)業(yè)務(wù)流程；完成不同接收信道的網(wǎng)關(guān)內(nèi)置組網(wǎng)邏輯，以支持終端入網(wǎng)功能；建立合理的信道分配機(jī)制，使各通信子卡工作負(fù)載均衡。在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)只需支持終端的一種工作模式，即Mode B模式（周期同步模式）。

網(wǎng)關(guān)內(nèi)置以太網(wǎng)模塊，具備Internet上網(wǎng)功能。其與云端通信的主要協(xié)議為基于MQTT的通信協(xié)議[8]，通過(guò)該協(xié)議完成業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)的透?jìng)?。此外，為方便調(diào)試和后期維護(hù)，網(wǎng)關(guān)支持Web配置及固件升級(jí)（OTA）[9]功能。網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯流程如圖11所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)有兩個(gè)很重要的性能指標(biāo)：一是覆蓋范圍，通過(guò)通信距離來(lái)衡量；二是低功耗要求，通過(guò)功耗來(lái)衡量。下面主要分析這兩個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)。

4.1 通信距離收包率測(cè)試

由于水表端都在水井房放置，而且一棟樓里只有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與整棟樓的不同水表之間要穿越不同樓層，所以穿樓測(cè)試距離是一個(gè)很重要的指標(biāo)。本項(xiàng)目將網(wǎng)關(guān)放到整棟樓的中間樓層，需要保證穿樓性能達(dá)到6層才可以滿足施工方的要求。測(cè)試條件：發(fā)射端發(fā)射100包數(shù)據(jù)，每包10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，通過(guò)接收端統(tǒng)計(jì)收包率來(lái)評(píng)估通信狀況。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從目前不同樓層的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，收包率均能達(dá)到99%以上。就目前的應(yīng)用而言，這是比較符合要求的。

4.2 功耗分析

水表端對(duì)功耗要求比較高，因此重點(diǎn)分析無(wú)線通信模組的功耗。影響功耗的主要因素包括基本的靜態(tài)工作電流以及模組休眠喚醒的工作間隔[10]，后者最終會(huì)影響系統(tǒng)的平均功耗和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。表3為水表端無(wú)線模組在不同工作間隔下的平均功耗數(shù)據(jù)。

根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，將工作間隔和平均功耗的關(guān)系繪制成一個(gè)二維關(guān)系圖，如圖12所示。

項(xiàng)目要求平均功耗不得超過(guò)15 μA。從表3和圖12中能夠看出，當(dāng)工作間隔時(shí)間達(dá)到4.5 s時(shí)，平均功耗便小于15 μA。因此，可以依據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)設(shè)置工作間隔。在本次應(yīng)用中，選擇工作間隔為5 s，此時(shí)平均功耗為13.5 μA。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了基于國(guó)產(chǎn)無(wú)線芯片的ChirpLAN低功耗協(xié)議在智能水表系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)主要包含組網(wǎng)、采集、數(shù)據(jù)傳輸和控制等部分。憑借PAN3029的遠(yuǎn)距離穿透性和低功耗組網(wǎng)兩大特性，將其成功應(yīng)用到無(wú)線智能水表的改造工程中，為水表的智能化無(wú)線應(yīng)用提供了一種基于國(guó)產(chǎn)芯片的解決方案。

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收稿日期：2024-05-19 修回日期：2024-06-24