基于LoRa的智能抄表系统设计与实现

赵太飞,陈伦斌,袁 麓,胡小乔

(1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048；2.千江(上海)信息科技有限公司，上海 200051)



基于LoRa的智能抄表系统设计与实现

赵太飞1,陈伦斌1,袁 麓2,胡小乔2

(1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048；2.千江(上海)信息科技有限公司，上海 200051)

针对ZigBee在无线抄表网络中通信距离短、网络路由复杂、抗干扰能力弱的缺点，提出了一种基于LoRa的无线智能抄表系统的设计方案；该方案以SX1278的LoRa调制技术为核心，采用星型、链型网络进行自组网络设计，构建了通信距离远、可抵抗多种干扰源等复杂网络环境下的智能抄表系统；介绍了系统网络拓扑结构、LoRa节点软硬件和应用层自定义通信协议的设计过程，实现了对智能电表的能耗数据采集和远程管理，最后对系统进行了测试分析；实验结果表明，该方案具有通信距离远、功耗低、组网便捷、实时性好的特点，有着广泛的应用前景。

LoRa；智能抄表；数据采集；STM32

0 引言

物联网时代，越来越多的物体接入网络，逐渐实现“万物互联”这一宏伟蓝图。低功耗广域网LPWAN 技术，作为蜂窝 M2M 连接的有效补充方案[1]，加速了物联网在低功耗、低成本、广覆盖、大容量方面的发展。LoRa作为LPWAN的一种长距离通信技术,解决了传统无线传感网络传输距离远与低功耗不能兼得的问题。LoRa(Long Range，远程)是一种新型无线通信技术，利用了先进的扩频调制技术和编解码方案，增加了链路预算和更好的抗干扰性能[2-3]，对深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性[3]。SX1278 射频模块采用了LoRa远程调制解调器，适合于要求长距离通信、抗干扰能力、低功耗的物联网网络环境。

由于Zigbee技术的通信频率高，信号传输中衰减非常快，同一频段WIFI、蓝牙信号的使用，导致Zigbee传输距离短[4]、易受干扰和网络结构复杂。本文将LoRa通信技术应用到远距离无线抄表中，实现电表的远程抄取、远程监控和故障排查等一系列智能管理，解决了人工抄表耗费大量的人力、物力与财力，既不方便，也容易发生漏抄、错抄的情况[5]，方便了居民用电的自动化管理。LoRa远距离通信，大大减少了中继的使用，节约了成本。本系统可应用于居民小区、学校、工业生产等场景，实现对电表远程集中管理和控制。

1 系统总体设计

系统总体网络拓扑结构如图1所示，主要包括电表集抄管理中心、LoRa射频传输模块、GPRS公网和网络节点，其中网络节点包括汇聚节点、中继节点和终端采集节点。该系统采集节点和汇聚节点之间采用LoRa无线一对多的通信方式分布在楼宇电表内，采集电表用电信息及状态信息；汇聚节点负责收发采集节点的数据，并通过GPRS公网，将数据上传到电表集抄管理中心。采集节点向下与智能电表根据Modbus通信规约通过RS485方式连接[6]，向上借助LoRa网络的超长距离无线通信能力与汇聚节点通信，将采集的电表数据通过汇聚节点传回电表集抄管理中心。若遇障碍物严重遮挡，导致采集节点和汇聚节点不能正常通信时，可加入中继节点完成采集节点数据转发至汇聚节点。

图1 系统总体结构

集抄管理中心通过对采集数据处理，智能分析每个接入电表的状态，并转换成有价值的信息，供授权用户访问使用。由此可见，该系统可实现上电即用、网络简单、数据上传、数据下发、抗干扰等功能，实现电表数据采集与管理。该设计不仅为集抄管理中心提供查询和管理的便捷，还能提供智能决策，帮助管理中心提高服务水平。

2 系统网络拓扑设计

相比于网状网络，LoRaWAN 网络架构是一个典型的星形拓扑结构[7]，消除了同步开销和跳数，具有结构简单和低功率等特点，因此在小区电力抄表中采用星型、链型网络，就可以满足实际需求。理论上，LoRa网络中，一个父节点可以容纳最多300K个终端节点。但是在实际使用中，较多的终端节点会使协调器负担过重，以至于导致网络瘫痪或误码率增加[8]。因此，通过对SX1278 射频模块通信通道进行设置，将一个区域的LoRa网路分成若干个网络，从而降低通信链路的开销。

本文对同一区域内网络节点进行分区，设置成不同频道，降低信号间相互干扰。系统中同区域汇聚节点和采集节点处于同一通信频道，节点上电即加入网络。同时SX1278 射频模块可在线监听射频空中信道，使用无线防碰撞和硬件物理机制，有效解决了周围其他无线系统同频干扰问题。大区域网络分组，有效的降低了误码率，增强了网络稳定性。

3 系统平台设计

3.1 系统硬件设计

本系统MCU主控芯片STM32F103ZET 是基于ARM 32位的cortex-M3架构的微处理器，最高72 MHz工作频率，内置512 K字节大容量存储器以及高速SRAM，轻易满足电力无线集抄系统所需的空间。同时STM32F103睡眠、停止以及待机3种低功耗工作模式[9]，方便了系统低功耗设计，并且具有优越的计算性能和中断响应系统。硬件设计中，SX1278射频模块是一种高度集成低功耗半双工小功率无线数据传输模块，具有传输距离远、信号的穿透性强、数据接收和发送稳定等特点。

1)采集节点和中继节点设计：

符合国家电网规定的电子式电度表，具有电能计量、数据存储和RS-485与外界通信的接口等功能。本设计采集节点和中继节点硬件结构如图2所示。中继节点主要用于转发汇聚节点和采集节点之间的指令及数据信息，扩展无线抄表传输范围。采集节点的任务，一方面负责电表数据的采集和控制，另一方面响应汇聚节点下发的指令，将采集的数据上传汇聚节点，实现对电能表的电能数据采集以及远程费控等功能。其中采集节点RS-485接口采用ADM2483芯片设计。

图2 采集/中继节点结构示意图

2)汇聚节点设计：

汇聚节点负责无线网络指令的下达、数据的接收与上传、系统的检测以及管理等功能，其硬件结构如图3所示。汇聚节点通过LoRa无线网络接收区域内采集节点上传的电表数据，并通过GPRS网络，将数据上传至集抄管理中心；同时下发集抄管理中心的命令到LoRa网络任意采集节点。

图3 汇聚节点结构示意图

3.2 系统软件设计

本系统软件设计采用uCOS-III实时操作系统，它以任务调度机制为核心，保证了多任务在uCOS-III系统上并发执行。首先系统调用OS_Init()函数初始化μC/OS-III操作系统，创建空闲任务和统计任务；其次调用BSP_Init()函数对系统硬件初始化,调用OSTaskCreate()建立了一个TaskMain任务，且在其任务内创建2个子任务，分别是a_task、b_task；最后执行OSStart()，由uCOS-III内核执行多任务。同时，设计了应用层自定义数据协议，保证了数据准确无误。采集节点采用休眠-唤醒-休眠的循环工作模式，有效降低了系统功耗。

1)应用层通信协议设计：

协议设计的优劣直接决定了本系统的智能化程度[10]。本系统对应用层进行了自定义协议设计，对本文数据报打包与解析，实现数据的透明传输。数据传输方式采用数据帧模式，传输序列为二进制字节流。同时，数据传输中对数据采用CRC16校验算法，做到传输数据的准确无误。在抄表中，集抄管理中心通过汇聚节点、采集节点下发满足电能表通信规约DL/T645-2007协议指令，等待一段时间待电表响应后，将数据返回给采集节点，采集节点将数据打包封装上传给汇聚节点，最后由汇聚节点上传至集抄管理中心。

本系统无线抄表方式可分为定时抄表，以及单播、广播抄表。抄表网络环境搭建后，汇聚节点与采集节点之间能立即建立一对多的映射关系，以实现采集节点上电就能采集电表数据，为网络的远程管理提供了便利。本系统抄表数据报文格式为：报文长度为32byte定长字节，即设备号(2byte)+包头(12byte)+包体(18byte)=32字节。其中，单播抄表实现对汇聚节点下单一采集节点电能表的远程抄表，如当帧命令为0x0801、0x0802等命令时，表示对电表正向有功总电能、电表冻结情况进行远程操作。采集节点地址即设备号，根据每个SX1278射频模块分配给各个采集节点独一无二的设备地址，如汇聚节点下发报文中设备号为0x55AA，即采集节点地址为该设备号的做出响应。其次，广播抄表实现对一个区域内汇聚节点下整个采集节点电能表进行远程统一管理。本设计还可通过发送抄表报文帧命令如0x0601、0x0602等，查看电表的设备基本信息、实时时间、功能状态等信息，方便远程管理和故障检测。部分抄表帧命令及含义如表1所示。

表1 抄表帧命令及含义

2)节点软件设计：

采集节点既要完成采集电能表的数据，也需通过LoRa网络上传和接收数据及命令。采集节点接收汇聚节点下发的命令后，首先对数据进行CRC16校验确保数据准确无误，其次根据报文中帧命令执行相应的操作，执行完将相应数据信息上传给汇聚节点，采集节点软件工作流程如图4所示。

图4 采集节点流程图

汇聚节点需与LoRa无线网络通信，也需与GPRS公网进行通信，其软件设计流程图如图5所示。汇聚节点接收到集抄管理中心下发报文或采集节点上传报文数据时，也会对报文数据进行CRC校验确保数据准确无误。同时通过报文中命令，判断是集抄中心下发的报文还是采集节点上传的报文。如为下发报文，则通过设备号判断是自己还是对采集器操作；如为上传报文，且对接收的数据CRC校验正确，则通过GPRS上传集抄管理中心。

图5 汇聚节点流程图

4 系统测试与分析

搭建系统测试环境，验证该智能抄表系统的实际运行效果。模拟网络包括1个汇聚节点、3个采集节点，汇聚节点与PC机之间通过RS-232方式相连，利用串口调试工具软件给采集节点发送数据报文，查询电能表实时电能情况。测试中，设备节点的射频中心频率为470 MHz、发射功率为20 dbm、串口波特率为9 600 bps等。

为了测试汇聚节点与采集节点之间的有效传输距离，在空旷街区、楼宇内(以一层楼梯口为起点)2种环境下的不同位置，进行了大量的数据收发测试，每次下发数据包100个。测试结果如表2、表3所示。

表2 空旷街区测试结果

表3 楼宇内测试结果

由表2、表3可知，随着通信距离的增加数据丢包率逐渐增加。其中，在空旷街区，当通信距离小于2.15 km，数据丢包率小于12%；在楼宇内内，能在一层与四层间良好的通信。此外，使用最简单的串联电流表的办法，对系统功耗进行了测试。当使用低功耗设计模式时，系统电流相比未使用低功耗模式功耗大大降低。

测试结果表明，该系统具有通信距离远、抗干扰能力强、功耗较低以及较高的系统稳定性。为电力部门远程智能管理电能表，提高了工作效率、管理水平和服务质量。

5 结束语

本文将低功耗广域网技术应用于远距离无线智能抄表中，通过低功耗、远距离LoRa无线网络和GPRS公网实现集抄管理中心与电能表之间的通信，达到管理中心远程抄取电能数据和管理各个电表运行状态。

文中对系统总体架构、应用层通信协议以及节点的软硬件设计等进行了详细分析。从实验结果可知，系统运行状态良好、通信距离远、功耗较低、组网便捷，并且成本低，能很好的满足无线智能抄表系统需求，具有广泛的应用前景。

[1] 王晓玲,田洪川. 国际通信运营商在产业互联网领域加紧布局[J]. 世界电信,2015(5):14-18.

[2] Lewark U J, Antes J, Walheim J, et al. Link budget analysis for future E-band gigabit satellite communication links[J]. CEAS Space Journal, 2013, 4 (1), 41-46.

[3] Mohamed Aref, Axel Sikora. Free Space Range Measurements with Semtech LoRaTM Technology[A]. 2014 2nd International Symposium on Technology and Applications (IDAACS-SWS)[C].Offenburg,2014:19-23.

[4] 徐松松,周西峰,郭前岗. 基于ARM平台的ZigBee网关设计[J]. 微型机与应用,2013：16:51-53.

[5] 闵华松,程志强,黄 磊,等. 基于RF的无线抄表系统设计[J]. 计算机测量与控制,2014(2):639-642.

[6] 王 鹏,王文庆. 基于3G的能耗数据采集器设计[J]. 计算机测量与控制,2015(12):4202-4206.

[7] LoRaWANTM Specification 1R0[Z].

[8] 周 鑫,朱向东,于秀波. ZigBee远程无线抄表系统的设计[J]. 自动化仪表,2013(3):31-33.

[9] 王永虹,徐 炜,郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2008.

[10] 侯 琛,赵千川,冯浩然,等.一种物联网智能数据采集系统的研究与实现[J].电子测量与技术，2014,37(6):108-114.

Design and Implementation of Smart Meter Reading System Based on LoRa

Zhao Taifei1,Chen Lunbin1,Yuan Lu2,Hu Xiaoqiao2

(1.Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China;2.Qianjiang Information Technology Co.Ltd.,Shanghai 200051,China)

Targeting for the shortcomings of ZigBee technology in wireless meter reading network, which offers short communication distance, complexity of network routing and poor ability of anti-interference, a new scheme of LoRa technology based wireless smart meter reading system is proposed. The system is based on long communication distance and resists the interference, using LoRa modulation technology of SX1278 as the core and ad-hoc network is designed using star networks and chain networks. The design process of network topology for the system, the node hardware and software for the LoRa, and the application-layer protocol are introduced to implement the energy consumption data acquisition and remote management of smart metering. The final tests indicate that the scheme has the long communication distance, low power consumption, easy networking and full practicability.

LoRa; smart metering;data acquisition; STM32

2016-04-11；

2016-05-19。

国家自然科学基金委员会-中国民航局民航联合研究基金资助项目(U1433110);陕西省科技计划工业公关项目(2014K05-18);陕西省教育厅产业化培育项目(2013JC09)。

赵太飞(1978-)，男，河南鹤壁人，副教授，硕士研究生导师，主要从事紫外光通信和物联网方向的研究。

1671-4598(2016)09-0298-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.084

TP3

A