基于LoRa的矿区远程抄表系统的设计

李慧敏，邢强，高 源，王 猛，马星河

（1．河南崤函电力供应有限责任公司，河南 三门峡472300；2．河南理工大学，河南 焦作454000）

矿区供电范围面积比较大，一般都是上百平方米，人工抄表工作量大，所以借助物联网技术能够提高系统测量精度，能更好地维护系统的高效运行。利用物联网技术对矿区系统的数据信息传输与处理，实现对矿区系统设备正常运行的智能监控与管理，从而使矿区的整个系统管理更加完善，更加高效。

矿区远程抄表技术要满足通信可靠性高、覆盖范围广、传输距离远、功耗低等方面的要求。而LoRa通信技术采用的是Semtech公司的SX1278超低功耗远距离收发器，具有易嵌入、低功耗、传输范围广、组网容量大、接受信号灵敏度高等优势，因此可以实现该技术在电力行业远程抄表系统中的智能应用，解决传统方式抄表数据不精确、工作烦琐，效率不高等问题，采用LoRa数据传输原理可以实现信号的远距离高效传输。窄带物联网LoRa技术符合矿区远程抄表网络数据传输的要求，能很好地解决矿区远程抄表系统中仍然存在的各种问题。例如：在矿区远程抄表系统实现数据采集与传输的时候，就需要利用传递信号性能好、稳定性强、能耗量低的网络技术，LoRa技术的多方面优势都能满足系统高效运行的需要。因此基于LoRa技术的硬件设计系统能很好地改善矿区远程抄表系统的现状，使矿区远程抄表系统更加高效、准确。

1 系统方案设计

1.1 LoRa通信技术

LoRa既是通信物理层也是创建远程通信链路系统的无线调制方式[1]，它的工作频谱范围很广，且支持半双工模式，利用扩频技术的无线传输，在实行双向通信的过程中使数据之间的传输互不干扰，提高了设备的抗干扰能力。同时LoRa技术包含有2种数据包结构，利用其不同的模式实现数据的高效传输。

本系统的设计方案在于利用LoRa技术对矿区远程抄表系统中的信息采集终端进行数据采集、传输、监控等[2]，矿区远程系统的构成包括信息处理电路、传感器、高精度的传感模块等，作为智能数据的采集终端、基站及服务器终端。

利用LoRa技术主要是完成高精度倾斜传感模块、风速传感器、风向传感器等现场采集数据的处理以及无线数据传输模块的硬件设计，来实现数据信息采集，然后将收集到的信息数据传送到服务区的基站，并由基站对接收到的信息进行分析处理，最后发送到服务器终端，从而完成整个无线自动抄表系统的操作。

1.2 LoRa的网络体系架构

矿区远程抄表系统不仅包括对矿区的用电管理方面的调度，而且包括对矿区机电设备的运行状态的实施检测。如图1所示的矿区远程抄表系统中，终端节点就代表着矿区中承担各种操作运行的高精度智能传感器硬件模块，它们管理并时刻监控着矿区的运行，由各种传感器终端硬件设备配合LoRa技术的智能操作，反映着矿区运行的状态。因此需要基于窄带物联网技术实现矿区的前端数据处理，作为整个系统数据信息传输的中介，选择LoRa技术作为系统硬件的网关部分，实现对传感器数据模块的数据信息传递，经抄表服务器中心数据处理分析后，就可以智能地控制系统设备的正常运行，从而达到对矿区系统的实时监控。

图1 矿区远程抄表系统架构图

LoRa技术的网络体系构架是一个典型的星形拓扑结构[3]，在其拓扑架构中，LoRa网关与终端和基站连接，而终端设备采用单跳与1个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。在矿区远程抄表系统中，终端嵌入LoRa通信模块，可以利用LoRa的双层模式实现对数据的实时监控。通过LoRa技术将数据发送至局域网基站，并由基站将数据传输至PC端或其他网络设备上，由Ⅰnternet网络将数据传输至服务器中心，相应服务器对数据进行分析，从而实现远程抄表。

2 LoRa关键技术

2.1 数据传输原理

LoRa技术在实现数据传输之前，首先需要定义自己的通信网络协议和物理层网络结构。LoRa相当于充当了网关中继站的作用[4]，用来连接前后两个终端设备的数据传输，网关是终端节点和ⅠP网站之间的桥梁，LoRa网关每天能接收大量与节点之间的数据通信任务，能实现多信息通道和多数据速率的并行处理，而且网关的信息覆盖范围也很大，网络占用率也很高。LoRa数据传输过程分2个通道进行，从基站到服务器中心为上行通道，从LoRa网关到基站为下行通道，上行通道的数据传输方式一般是GPS或有线网络，下行通道通常采用无线网络来进行数据信息的接入与传输，因此LoRa技术也具有双向传输的特性。LoRa技术也有选择与适应各种不同频段频率的能力，从而控制数据传输速率和传输距离的平衡，体现高效的抗干扰能力。LoRa技术在不同的数据传输过程中，会有不同的数据传输速率，从而会产生不同的能量消耗，为了更好的优化这一问题，LoRa技术采用速率自适应算法来控制数据传输率，并将其控制在一定的范围内，实现降低能耗的作用。

2.2 低功耗无线数据传输技术

目前LoRa技术采用的功耗控制方式为功率控制技术和调整MAC协议，功率控制技术的原理是根据实际网络的动态变化，通过控制网络中节点的发出功率，自动调节网络参数，以达到整个系统实现低功耗的要求。调整MAC协议的原理是防止网络节点数据发生冲突重传的情况下，通过关闭节点的射频收发模块，使节点尽可能长的处于休眠状态，当需要进行数据传输时，通过唤醒机制唤醒节点进行数据传输。

无线网络传输系统的功率控制技术的方式是通过算法实现的[5]。一类是COMPOW算法，这种算法是在网络正常联通的情况下，通过降低节点的发射功率，满足节点在相对较低的同一功率下实现网络内部的数据信息传输。COMPOW算法核心是将节点的功率控制和路由协议结合的节能控制方案，通过一个固定的功率值来保证整个系统的连通性，是一种近似最优的功率调整方案。另一种是LMA/LMN算法，这种算法是对系统每个节点的使用功率控制机制进行调节，调节各节点的发射功率等级，以调节节点发生单跳到相邻节点次数的方式，来改善网络拓扑结构，从而实现系统的高效运行。两个节点之间的单跳次数称为节点度，LMA/LMN算法的核心是先给系统网络规定节点度的上下限，整个网络中的所有节点通过动态方式调节各个节点的发射功率，使其各个节点的节点度都在规定允许的范围内。当节点的节点度小于规定的下限时，则相应地增大节点的发射功率，相反当节点的节点度大于规定的上限时，相应地减少节点的发射功率，以此来确保网络整体连通性的特点。

无线网络传输系统的MAC协议实现低功耗的方式是采用避免数据传输冲突和降低空闲监听功耗[5]，避免数据传输冲突常采用的机制是CSMA/CA机制和RTS/CTS机制。其中CSMA/CA机制原理是在无线传感器网络中，节点在接受传输数据之前，先要随机地延迟一段时间，用来防止多个节点可能同时检测到信道空闲进行数据传输时产生冲突。RTS/CTS机制中当节点需要传输数据时，首先通过控制信号握手，握手通过后才能进行数据传输，在进行数据传输之前由节点发出一个复位信号，该信号包括了目的节点的地址和所用信道占用的时长，目的节点在接收到复位信号后，会相应地发出反馈信号，以表示准备接收数据传输。发送方在接收到目的节点的反馈信息后，开始传输数据。这个过程中只有当目的节点与发送节点同时确认所发信号后，才能开始进行数据传输，有效地避免了其他节点发出的信息发生冲突，从而做到降低能耗。

2.3 SX1278性能

SX1278经常作为无线传输系统的硬件设计，相当于是系统中各节点的无线收发器。SX1278的频段范围很广，它的灵敏度、扩频因子能力方面都有很好的优势，承担着对无线传输硬件系统中通信电路的控制。图2是无线信号传输模块硬件设计中的无线收发器结构图，SX1278是无线信号收发核心[6]，它的频段范围是137～525 MHz，包括亚洲、南美洲以及东欧地区的频段，覆盖范围广。在MCU接收到外部电路传送的信号后，首先将接收到的信号转化为TTL信号，通过和SX1278之间设定的射频通信接口，传递给SX1278。外部晶振电路为无线系统提供合适的频段信号和时钟脉冲，SX1278收发器利用其半双工模式工作，使其接收数据工作与发送数据工作分开进行，依据系统射频转换器所选择的频率范围，控制SX1278引脚RXTX/RF_MOD的模式选择，并且以此达到节省电能的目的。LoRa技术的核心正是由于SX1278芯片的智能控制作用，实现数据的接收和发送方式是通过将信号进行调制或解调并通过天线以电磁波的形式传输，从而实现矿区远程抄表系统中无线数据传输的便捷性、高效性。

图2 无线收发器结构图

3 LoRa的扩频调制技术

LoRa扩频调制技术也称LoRa跳频技术[1]，扩频技术的含义是指在数据传输中扩展数据信息的频谱，使通信过程中数据信息所用的频带宽度大于信息本身所占的频带宽度。扩频技术实现通信数据展频的方式是通过对独立的码序列进行编码和调制来实现的，与所传输的数据信息本身无关。扩频技术（跳频技术）的原理是：在起始端以预定的扩频编码进行扩频调制，也就是完成一次跳频[6]。跳频的发射和接收的地址编码都在起始规定的信道内开始的，在发射机第一次发射出同步的前导码和报头之后，产生第一次跳频中断信号，MCU继而会响应此中断信号，此时频率会按照预先的规定跳到相应的频道上，这就完成了频率的第一次跳变。在系统完成一次跳变之后，会自动启动信道上的计数器进行同步计数，完成一个跳变周期之后，会再一次产生一个跳变中断信号，MCU会再次做出响应，此时频率会再一次跳到下一个信道上，并按照这种模式反复进行下去。LoRa扩频技术利用跳频的方式解决了外部信号的干扰和不同频段信号的干扰，使扩频技术具有高效的数据传输速率、能耗低、显著的抗干扰和抗衰落能力强等特点。

4 结束语

本文设计了一种基于LoRa技术的无线通信模块的矿区远程抄表系统的硬件部分，利用双层物理结构实现矿区远程抄表系统的智能数据控制，利用功率控制技术和MAC协议实现系统的低功耗传输。在基于LoRa的系统硬件设计中，SX1278作为无线收发器对无线传输系统的数据传输进行智能高效地控制，LoRa扩频技术利用跳频的方式做到了抵抗外部信号干扰，提高系统数据传输速率的稳定性等问题，LoRa通信技术适合于矿区远程抄表系统的硬件设计，并且能够达到很好的示范作用。