宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對基于ZigBee技術實現(xiàn)的無線抄表系統(tǒng)傳輸距離近、抗干擾能力弱等問題，設計了一種基于LoRa的新型遠程抄表系統(tǒng)。該遠程抄表系統(tǒng)由路由模塊、中繼器及表端模塊組 成，這三大模塊均使用低功耗射頻芯片SX1278。在抄表過程中，針對該系統(tǒng)提出了4種路徑探測命令幀。該系統(tǒng)能將集中器端的無線信號進行中繼轉發(fā)至表端，延長無線通信距離。 測試結果表明，該抄表系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抄表范圍廣、組網(wǎng)時間短，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞: 遠程抄表；LoRa；SX1278；探測命令幀
0 引言
隨著工業(yè)自動化、城市居民住宅建設和農村小城鎮(zhèn)建設的日益發(fā)展，獨立電能表數(shù)量迅速增多，抄表計量也日趨復雜。傳統(tǒng)的人工電力抄表方式已不能滿足當今社會的需求，遠程抄表已成為智能電網(wǎng)中重要的組成部分。近年來，利用 ZigBee 技術構造的無線自動抄表系統(tǒng)的技術水平有了長足的進步，但是ZigBee只適用于近距離傳輸，通信距離為100m，且ZigBee網(wǎng)絡很容易產(chǎn)生同頻干擾，影響網(wǎng)絡質量；在實際應用中由于電能表安裝的物理 范圍廣而且有些地區(qū)遮擋物較為嚴重等問題，不能將電能表數(shù)據(jù)全部抄回。為解決上述問題，本文提出了一種基于LoRa的新型遠程抄表系統(tǒng)，該抄表系統(tǒng)通信距離遠、功耗低，能很好地滿足無線智能抄表系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)通過中繼器將無線信號進行中繼轉發(fā)，建立有效、快捷 且可靠的路由路徑，將電能表數(shù)據(jù)抄讀回來。 基于SX1278的LoRa是一種新型無線通信技術，它利用了先進的擴頻調制技術和編解碼方案，增加了鏈路預算，具有更好的抗干擾性 。
1 系統(tǒng)總體設計方案
基于LoRa的遠程抄表系統(tǒng)由路由模塊、中繼器、電能表組成。路由模塊對電能表集中管理，并且負責對電能表的數(shù)據(jù)抄讀；中繼器負責為電能表中繼無線信號；電能表為系統(tǒng)的從設備，也是中心設備，所有其他設備都是為了抄讀電能表的計量數(shù)據(jù)服務。系統(tǒng)運行時，由于電能表安裝的物理范圍廣，必然存在直抄近端區(qū)及中繼遠端區(qū)這兩種情況。對于直抄近端區(qū)，可以通過無線模塊直接抄讀；對于中繼遠端區(qū)，需要通過中繼器進行無線數(shù)據(jù)轉發(fā)，系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)設計框圖
基于LoRa的遠程抄表系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡為主從式，由路由模塊集中管理中繼器、電能表。在這里把網(wǎng)絡構建分成兩部分：路徑探測請求流程和路徑探測響應流程。路徑探測請求流程由路由模塊發(fā)起，采用洪泛廣播的方式傳輸，中繼器在接收到路徑探測請求幀后，根據(jù)其內容進行選擇性中繼轉發(fā)，中繼至表端，這也就是請求抄表的過程，通過路徑探測請求流程來尋找抄表的路徑。路徑探測響應流程由末端中繼器發(fā)起，中繼器在接收到表端的路徑探測響應幀后，根據(jù)自身存儲的中繼路徑構建路徑探測響應幀回傳給路由模塊，采用單播的方式傳輸，一旦路由模塊接收到路徑探測響應幀，就可以確定該路徑能夠實現(xiàn)抄表。
2 SX1278
SX1278是LoRa射頻部分的核心芯片，它集成規(guī)模小、效率高,工作頻段為137～525 MHz。LoRa是低功耗廣域網(wǎng)通信技術的一種，是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。當 SX1278工作在LoRa模式時，能獲得超過-148dBm的高靈敏度。SX1278部分關鍵性能數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 SX1278部分關鍵性能數(shù)據(jù)
2.1 SX1278芯片及外圍電路
SX1278芯片及外圍電路圖如圖2所示。射頻收發(fā)芯片SX1278通過SPI接口以及 RF_DIO1~RF_DIO3與MCU進行信號傳輸。
圖2 SX1278芯片及外圍電路圖
2.2 天線端口電路
該部分電路包含射頻信號的收發(fā)切換控制以及天線的兩種兼容接口（IPEX座接口和彈簧天線接口），L3、C14、C15組成π型匹配網(wǎng)絡，用于對天線的匹配，具體電路圖如圖3所示。
圖3 天線端口電路圖
3 路徑探測流程
路徑探測是指路由模塊、中繼器、表端的網(wǎng)絡構建過程，網(wǎng)絡構建為后續(xù)的集中器抄表提供通信路徑。
3.1 路徑探測請求流程
路由模塊在發(fā)起對某個表端模塊的路徑探測后，先設定路徑探測超時定時器，然后等待子節(jié)點對路徑探測請求幀的中繼轉發(fā)以及路徑探測請求的響應處理；中繼器對路徑探測請求幀進行中繼轉發(fā)，各中繼器在中繼轉發(fā)時遵循時隙同步原則，在一個有效的時隙周期內只對同一網(wǎng)絡的同一目標地址的路徑探測請求幀轉發(fā)一次，對于在該時隙周期內接收到多條相同目標地址的路徑探測請求幀，中繼器可以保存3條記錄，以作路徑探測響應幀使用，流程框圖如圖4所示
圖4路徑探測請求流程框圖
3.2 路徑探測響應流程
中繼器在接收到表端模塊發(fā)送的路徑探測響應幀后，根據(jù)路徑探測請求流程記錄的該目標節(jié)點的中繼路徑進行依次轉發(fā)，在此轉發(fā)過程中不啟用時隙同步流程，作單條命令固定時 間間隔延時，路由模塊在接收到路徑探測響應幀后，選擇存儲中繼路徑，用以后續(xù)的抄表使用，流程框圖如圖5所示
圖5 路徑探測響應流程框圖
4 各路徑探測命令幀解析
在進行路徑探測的過程中需要發(fā)送一些探測命令幀，發(fā)送探測命令幀的過程就是尋找 路徑的過程，通過探測命令幀的回復可以確定該路徑是否能實現(xiàn)抄表。在本文的設計中提出的探測命令幀有4種：發(fā)起路徑探測請求幀、中繼路徑探測請求幀、發(fā)起路徑探測響應幀、中繼路徑探測響應幀。
4.1 發(fā)起路徑探測請求幀
在發(fā)起路徑探測請求幀之前首先要確定路由探測請求幀的各項參數(shù)：網(wǎng)絡規(guī)模(S)、時隙號、允許中繼次數(shù)(DM)、當前中繼次數(shù)（DC），這些參數(shù)的確定在路徑探測過程中是較為重要的。確定新建網(wǎng)絡的規(guī)模就是確定中繼器的個數(shù)，假設系統(tǒng)所有表檔案數(shù)為300，其中10%的表端需要安裝中繼器來完成信號的中繼，則中繼個數(shù)為31，即S=31。將一個超幀中的時隙總數(shù)NS設置為網(wǎng)絡規(guī)模，即NS=S。中心節(jié)點的時隙號設置為0。允許的中繼次數(shù)是指路由模塊需要探測表端的n級中繼路徑，路由模塊在發(fā)送完路徑探測請求幀命令后，等待一個RT來判斷是否探測成功。
RT=(DM×S×BS+2×DM×ST)+3×IT(1)
式中BS是標準時隙時間為，300ms；ST是發(fā)送路徑探測命令消耗時間；IT是指當前中繼器記錄多條路徑時，發(fā)送每條路徑探測命令響應幀的間隔時間。對于當前中繼次數(shù)（DC），每中繼一次DC加1。
4.2 中繼路徑探測請求幀
中繼器在接收到中繼路徑探測命令后，根據(jù)探測命令的參數(shù)來判斷是否繼續(xù)轉發(fā)，中繼器可并行處理3個不同網(wǎng)絡、不同目標節(jié)點的路徑探測命令請求幀，每條命令處理流程獨立進行，互不影響。在處理前首先要檢查該目標節(jié)點的路徑探測請求幀是否已經(jīng)轉發(fā)、當前的中繼次 數(shù)是否大于允許中繼次數(shù)以及命令幀中的中繼列表是否已經(jīng)包含自己。處理流程圖如圖6所示。
圖6 中繼路徑探測請求幀處理流程圖
在圖6中涉及發(fā)送時隙的計算，發(fā)送時隙的計算會因不同節(jié)點發(fā)出的路徑探測命令而不同。若接收到的為中心節(jié)點發(fā)出的路徑探測命令，則：
WT=CS×BS+ST(2)
若接收到的為中繼器發(fā)出的路徑探測命令，則：
WT=CS×BS+ST+(S-RS)×BS(3)
發(fā)送路徑探測命令后會有一個回復也就是路徑探測響應幀，這就涉及路徑探測響應幀等待時間，計算如下：
RW=(DM-DC+1)×S×BS+3×IT(4)
其中，IT =1s。
4.3 發(fā)起路徑探測響應幀
中繼器在接收到表端模塊的路徑探測請求幀的響應命令后，發(fā)起路徑探測響應命令，其流程圖如圖7所示。
圖7 發(fā)起路徑探測響應幀流程圖
在圖7中若查詢到記錄有路徑探測請求幀，則選擇記錄的路徑構建路徑探測響應幀，然后將選擇的路徑探測命令進行反向傳輸，填充下行報文，中繼級數(shù)為上行報文的中繼列表數(shù)，當前中繼索引等于中繼大級數(shù)。
4.4 中繼路徑探測響應幀
中繼器在接收到路徑探測響應幀后，檢查路徑探測響應幀中的上行報文的中繼列表地址，判斷當前中繼索引對應的中繼地址是否為本中繼器地址，然后根據(jù)中繼列表計算下一級中繼地址，填充下行報文信息，轉發(fā)給下一級中繼器。
5 抄表流程設計
集中器下發(fā)對單個表端的抄表命令后，路由首先判斷目標節(jié)點是不是在檔案中存在，沒有則返回否認幀，依次用存放的路徑去抄讀，直到抄到數(shù)據(jù)或者路徑全部用完為止，流程圖如圖 8 所示。如果所有的路徑都用完后還沒有抄到數(shù)據(jù)，則不再探測新的路徑，直接返回否認幀。
圖8 抄表流程設計框圖
6 數(shù)據(jù)分析
為了測試該路徑探測方法的有效性，對公司園區(qū)內500個電表進行了大量組網(wǎng)測試。表2是窄帶載波和LoRa 兩種不同組網(wǎng)機制在同一組網(wǎng)環(huán)境下的組網(wǎng)時間和中繼深度。
表2 組內對比（取均值）
表3 LoRa園區(qū)組內測試結果（取均值）
可以看出網(wǎng)絡的中繼深度為3級，點對點直抄回的電表數(shù)量為342個，一級中繼抄回的電表數(shù)量為83個，二級中繼抄回的電表數(shù)為52個，三級中繼抄回的電表數(shù)為23個，園區(qū)內的500個電表都能抄回。從表2、表3可以得出，該遠程抄表系統(tǒng)能夠在較短的時間內完成組網(wǎng)，網(wǎng)絡的復雜度也低于窄帶載波，組網(wǎng)范圍廣，組網(wǎng)穩(wěn)定，抄表率也高。
7 安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
7.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構，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閥。
7.2 系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關-預付費電能表組成，通過通信網(wǎng)絡完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。
遠程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。
遠程售電:財務集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù)防止，方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數(shù)據(jù)、能耗和財務的期初期末值等數(shù)據(jù)。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用電情況。
短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。
遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
7.3 產(chǎn)品選型
8 結束語
本文所設計的基于SX1278的新型遠程抄表系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功耗低，組網(wǎng)速度快，能以較小的中繼深度完成組網(wǎng)，網(wǎng)絡復雜度低，能有效解決電能表安裝物理范圍廣或地區(qū)遮擋物較為嚴重時數(shù)據(jù)不能抄讀的問題。該系統(tǒng)已成功應用于抄表行業(yè)中，這對于將LoRa 技術廣泛應用于抄表行業(yè)打下了基礎，具有良好的實用價值。
參考文獻：
[1]趙太飛，陳倫斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2016，24(9)：298-301.
[2]肖思琪，全惠敏，鐘曉先.基于LoRa的遠程抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）