基于LoRaWAN的無線預付費系統(tǒng)方法設計與應用

日期：2025-09-09 03:43

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摘要：以LoRa為代表的低功耗、遠距離網(wǎng)絡技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)復雜組網(wǎng)和高功耗的難題。為進一步降低基于LoRaWAN的無線抄表系統(tǒng)的功耗，同時針對ZigBee、紅外等無線技術(shù)在抄表方案中存在通信距離短、抗干擾能力弱的缺陷，通過對LoRaWAN無線標準協(xié)議的研究，將MCU系統(tǒng)和LoRa技術(shù)相結(jié)合，設計了一種基于LoRaWAN無線通訊技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)。

張娟

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：以LoRa為代表的低功耗、遠距離網(wǎng)絡技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)復雜組網(wǎng)和高功耗的難題。為進一步降低基于LoRaWAN的無線抄表系統(tǒng)的功耗，同時針對ZigBee、紅外等無線技術(shù)在抄表方案中存在通信距離短、抗干擾能力弱的缺陷，通過對LoRaWAN無線標準協(xié)議的研究，將MCU系統(tǒng)和LoRa技術(shù)相結(jié)合，設計了一種基于LoRaWAN無線通訊技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)。首先介紹無線抄表系統(tǒng)的硬件組成和功能模塊的作用，其次介紹節(jié)點軟件設計過程，得出結(jié)論，該系統(tǒng)實現(xiàn)了降低功耗的作用。

關(guān)鍵詞: LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；遠距離；LoRaWAN

0引言

低功耗廣域網(wǎng)絡技術(shù)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種物聯(lián)網(wǎng)無線接入新技術(shù)，具有低功耗、網(wǎng)絡擴展性強、通信距離遠等優(yōu)點。LoRa（Long Range）作為一種非授權(quán)頻譜的LPWAN無線通信技術(shù)，以廣覆蓋、低功耗等特點受到了廣泛關(guān)注。LoRa是一種由LoRa聯(lián)盟推出的遠距離通信系統(tǒng)，主要包含物理層和MAC層（即LoRaWAN），如圖1所示。

圖1 LoRa層結(jié)構(gòu)

LoRa物理層采用線性調(diào)頻技術(shù)（CSS，Chirp Spread Spectrum），適用于遠距離、低功耗、低吞吐量的通信。LoRaWAN由LoRa聯(lián)盟發(fā)布，是一種基于開源的電信級MAC層協(xié)議。LoRa是一項私有技術(shù)，工作在未授權(quán)頻段，使用免費的ISM頻譜，具體頻段及規(guī)范因地區(qū)而異。LoRa作為非授權(quán)頻譜LPWAN技術(shù)典型代表，有廣泛的應用場景，如太陽能路燈照明管理系統(tǒng)、遠距離無線抄表系統(tǒng)等。隨著智慧城市的發(fā)展，遠距離無線抄表技術(shù)將在智能抄表應用中起到非常重要的作用。終端儀表由于無法保證持續(xù)的外部電能供應，只能依靠電池供能，所以在運行過程中盡可能降低平均功耗，才可以保證不間斷的長期工作。顯然，只降低發(fā)射機的發(fā)射功率，或者只降低接收機的功耗電流是不現(xiàn)實的。這種方法的效果不但不明顯，還會帶來通信質(zhì)量下降的惡劣后果。在現(xiàn)有的無線抄表系統(tǒng)中，當通信設備不工作于發(fā)射或接收模式時，使其進入休眠狀態(tài)，是降低平均功耗有效的方法。當集中器或網(wǎng)關(guān)需要和某個終端儀表通信時，處于休眠狀態(tài)的終端設備將被喚醒，轉(zhuǎn)換成發(fā)射或接收模式，實現(xiàn)交換數(shù)據(jù)的功能。

1 總體設計

LoRaWAN主要包含三個部分：節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務器。節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)打包上傳給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負責數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，包括將節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務器和將服務器的下行命令轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點。服務器負責數(shù)據(jù)解析和下發(fā)控制命令。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示：本文設計的低功耗無線通信系統(tǒng)包含一個命令下發(fā)設備（服務器）、一個命令數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設備（網(wǎng)關(guān)）和若干個終端設備（節(jié)點）。

圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡模型

在系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)使用市電供電；由于節(jié)點所處的位置不**，環(huán)境復雜多變，無法保證使用市電進行供電，因此只能使用電池供電。為了維持節(jié)點的長時間穩(wěn)定工作，就需要在盡可能長的時間內(nèi)處于低功耗模式。節(jié)點在低功耗模式下只能被動接收數(shù)據(jù)，不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦節(jié)點被喚醒，處于正常的工作狀態(tài)，就可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。服務器的主要功能是給網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制命令，網(wǎng)關(guān)的主要功能是喚醒節(jié)點并且轉(zhuǎn)發(fā)服務器下發(fā)的控制命令，并上傳節(jié)點的數(shù)據(jù)給服務器。當集中器給某終端設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先需要將處于睡眠狀態(tài)的終端設備喚醒，再進行通信。終端表設備接收到喚醒幀后，通過判斷喚醒幀中的終端地址是否與該終端設備的地址相同，來決定此終端表設備是否準備開啟接收模式。如果喚醒幀中的終端地址與該終端表地址不相同，則丟棄此喚醒幀，終端表設備繼續(xù)處于低功耗模式，開啟周期性檢測信道空閑功能。如果相同，終端表設備會根據(jù)喚醒幀中的時間標簽在低功耗模式下進行一段時間的延時，當延時時間結(jié)束，立刻開啟接收模式。

2硬件設計

硬件包含網(wǎng)關(guān)與節(jié)點，采用意法半導體公司基于Cortex M3內(nèi)核的32位高性能超低功耗微控制器STM32F103作為網(wǎng)關(guān)，該芯片工作頻率可達72MHz，具有512KB的閃存以及高速SRAM，性能強勁，實時性好。同時該芯片有睡眠模式、停止模式和待機模式3種低功耗工作模式，以及**型自主動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能，方便了系統(tǒng)低功耗設計，可以滿足無線抄表的各種需求。網(wǎng)關(guān)需要搭載LoRa芯片以及與服務器通信的通信模塊。MCU控制單元是智能水表的控制器，起著決定性的作用。節(jié)點采用低功耗MCU與傳感器、控制器相連，單個節(jié)點只搭載單個傳感器，電池采用高容量低功率類型的電池。設計采用Semtech公司推出的低功耗半雙工高靈敏度的SX1278收發(fā)器作為節(jié)點。SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用LoRa擴頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其傳輸距離遠遠超過使用FSK等調(diào)制解調(diào)技術(shù)，能夠降低網(wǎng)絡部署成本，易于管理和監(jiān)控。具有傳輸距離遠、信號穿透性強、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送穩(wěn)定等特點。同時，SX1278軟件配置具有很大的靈活性，用戶可通過程序決定擴頻調(diào)制帶寬(BW)、糾錯率(CR)和擴頻因子(SF)。

圖3 硬件總體框圖

3軟件設計

無線通信系統(tǒng)在正常運行時，首先網(wǎng)關(guān)和節(jié)點進入到硬件初始化階段，節(jié)點完成硬件初始化后進入低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測。此時檢測信道是否空閑，如果信道空閑，則此節(jié)點繼續(xù)處于低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測。在某一時刻由服務器向網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊下發(fā)抄表命令，網(wǎng)關(guān)接收到抄表命令后進行解析，通過解析后的命令內(nèi)容生成用來喚醒特定節(jié)點的喚醒幀。網(wǎng)關(guān)會通過無線設備發(fā)送持續(xù)一定時間長度的喚醒幀，在此時間段內(nèi)，節(jié)點將配置成無線接收模式，接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的喚醒幀。喚醒幀中包含節(jié)點地址和時間標簽，判斷喚醒幀中設備地址是否和此設備地址相同，如果不相同則丟棄此喚醒幀；如果相同，則提取此喚醒幀中的時間標簽，通過時間標簽計算出將此節(jié)點切換為低功耗模式的延時時長，進行延時，一旦延時時長結(jié)束，立刻將此節(jié)點配置成無線接收模式，直至接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令。當接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令后，解析抄表命令，獲取此終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，完成通信過程。當節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)后，將此節(jié)點配置成低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測，整個無線通信系統(tǒng)運行的流程如圖4所示。

圖4 低功耗無線抄表方法流程圖

如圖5所示，節(jié)點和網(wǎng)關(guān)在t0時刻進行硬件初始化，節(jié)點在t1、t2、t4、t9時刻開啟信道空閑檢測。而節(jié)點的無線模塊會通過RTC時鐘定時，周期性開啟信道空閑檢測，因此圖中t1-t0=t2-t1=t4-t2=t9-t8。在t0到t1、t1到t2、t2到t4、以及t8到t9的時間段內(nèi)，終端設備的無線模塊都會處于睡眠模式。

圖5 低功耗無線抄表方法時序圖

在t3時刻時，網(wǎng)關(guān)接收到服務器發(fā)送過來的抄表命令，同時生成喚醒特定節(jié)點的喚醒幀，其中包含節(jié)點地址和時間標簽。t3時刻網(wǎng)關(guān)開始發(fā)送喚醒幀，t6時刻完成喚醒幀的發(fā)送。節(jié)點在t4時刻處于信道空閑檢測模式，因此在t4時刻特定節(jié)點被喚醒，此時該節(jié)點處于無線接收模式，用來接收后續(xù)網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令。網(wǎng)關(guān)發(fā)送的抄表命令是在t7時刻，為了降低功耗在t4到t5的時間區(qū)間內(nèi)使節(jié)點處于完全低功耗模式（MCU 進入Halt模式，無線模塊進入睡眠模式）來降低功耗。若喚醒幀中的時間標簽值為TL，時間標簽值允許的個數(shù)為TLN，t4到t5的時間區(qū)間長度為DST：

t5時刻，節(jié)點開啟無線接收模式，t7時刻節(jié)點接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的抄表命令，t8時刻節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，至此完成網(wǎng)關(guān)到節(jié)點的通信過程，通信完成后節(jié)點再次進入到低功耗模式，并周期性開啟信道空閑檢測。至此完成了一次完整的通信過程。

4安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

4.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關(guān)閥。