智能水表集抄系统中LoRa无线补盲网关的设计与实现

欧浩源 胡平峰

（1、广东职业技术学院，广东 佛山 528041 2、深圳蜜獾智抄科技有限公司，广东 深圳 518102）

1 概述

随着物联网、大数据、人工智能技术的日益成熟，智能水表集抄系统也逐渐向全无线抄收升级。在低功耗远距离的LoRa无线技术出现之后，远距离全无线的水表集抄系统已然成为行业的一种发展趋势。小区中的水表计量终端抄收到水表数据后，通过LoRa无线网络发送到LoRa数据集中器，再由数据集中器通过NB-IOT或CAT1的远程方式传送到自来水公司的管理系统和数据库。然而，在一些环境条件较差的小区中，会出现一些LoRa无线信号盲区。处于这些信号盲区的水表计量终端无法通过LoRa无线信号与数据集中器进行连接，从而在集抄系统中形成了一个信息孤岛，无法做到集抄系统的LoRa无线信号全覆盖。本文提出了一种水表集抄系统中的LoRa无线补盲网关，在无线信号盲区和LoRa无线网络之间构建一个通信桥梁，将信息孤岛重新接入水表无线集抄系统，以解决小区LoRa无线网络中信号盲区的终端接入和数据传输问题，从而实现智能水表集抄系统的无线网络全覆盖。

2 水表集抄系统的结构

在智能水表集抄系统中接入LoRa无线补盲网关后，形成具有无线全覆盖能力的集抄系统，其结构如图1所示。在LoRa信号良好的区域中，安装基于LoRa无线网关的水表计量终端。该计量终端抄收到用水信息后，直接通过LoRa无线网络上报到LoRa数据集中器。在LoRa信号盲区中，安装基于Zigbee无线网络的水表计量终端。这些在LoRa信号盲区中的计量终端与LoRa无线补盲网关进行无线自组网，形成小范围的Zigbee无线传感网络。计量终端抄收到用水信息后，首先通过Zigbee无线网络将数据汇总到LoRa无线补盲网关，再由补盲网关通过LoRa无线网络上报到数据集中器。最后由LoRa数据集中器通过NB-IOT远程连接自来水公司的数据管理系统，进行小区用水数据的上报和处理。

图1 接入LoRa无线补盲网关后的水表集抄系统

3 补盲网关的硬件设计

LoRa补盲网关的硬件系统主要由STM32主控芯片、上行LoRa通信模组、下行Zigbee无线模组、电源管理电路和指示调试部件组成。整个硬件设计框图如图2所示。

图2 LoRa无线补盲网关后的硬件设计框图

主控芯片选择STM32L451C8T6，该芯片具有3路UART接口，其中UART3用来与Zigbee模块通信，另外一路UART1作为在程序开发过程中调试信息的输出接口。芯片属于STM32的低功耗系列，其中Shutdowm停机休眠模式的静态功耗不到1uA。芯片内部带有实时时钟RTC，该时钟的闹铃功能可以作为停机休眠的唤醒信号。另外，芯片的工作电压、内存大小、引脚数量等资源也满足本补盲网关的设计要求。

上行LoRa通信部分选择利尔达的LSD4RF-2F717N30无线模组。该模组以Semtech公司的LoRa射频集成芯片SX1278为核心。芯片采用了LoRa扩频调制调节技术，工作频率范围137～525MHz，带 宽7.8 ～500KHz之间可配置，可以使模组在低功耗的情况下，可以进行远距离数据传输。LoRa模组通过四线SPI接口与主控芯片进行连接，另外DIO0和DIO1连接到主控芯片2个普通I/O端口上。

下行Zigbee通信部分选择以TI公司CC2530芯片为核心的无线模组。CC2530是一个以增强型8051为内核，结合2.4 GHz无线收发外设的片上系统，为Zigbee无线连接提供了物理层的连接通道，软件上搭载Z-Satck协议栈就可以进行Zigbee传感网络的动态组建。该Zigbee模组通过串口1与主控芯片的UART3进行连接。

补盲网关使用锂电池供电，为了使系统的整体功耗降低，产品寿命加长。在硬件上设计了电源管理电路，在系统进入停机休眠状态时把上行的LoRa模块和下行的Zigbee无线模块的电源全部关闭。当主控芯片从休眠模式唤醒后，再逐一进行对设备恢复供电和初始化。

4 补盲网关的软件设计

LoRa补盲网关的软件主要有四个部分的功能：上行LoRa无线通信部分、下Zigbee无线组网部分、水表数据抄收上报和低功耗运行管理部分。整个软件的设计流程如图3所示。

图3 LoRa无线补盲网关后的软件流程图

补盲网关上电后，首先查询设计是设备否首次上电运行。如果为首次运行，先初始化LoRa无线网络，与数据集中器建立上行通信信道，获取数据上报的时间并将该时间作为补盲网关停机休眠的唤醒时间设置到STM32L451内部的RTC闹铃参数中。然后初始化CC2530模块，完成信号盲区内的Zigbee无线网络组建，并进行第一次水表数据抄收。抄收完成后，向数据集中器请求是否需要即时上报。如果需要则进入数据打包和上报流程，如果不需要，则关闭LoRa模块和Zigbee模块的电源，随后进入停机休眠模式。直到STM32L451主控芯片内部RTC设置好的闹铃时间到，将补盲网关系统唤醒。

补盲网关由休眠模式唤醒后，从上电复位的位置开始运行。在非首次运行时，首先初始化LoRa无线网络，上行与数据集中器建立信道连接，然后完成信号盲区内的Zigbee网络组建，抄收区域内水表数据，接着将用水数据打包并向数据集中器上报。数据上报成功后，补盲网关会收到数据集中器的返回帧。该返回帧内包含在系统下一次的上报时间，也就是系统的唤醒时间。成功解析返回帧后，系统将该时间设置到RTC的闹铃参数中。如果数据上报不成功，1个小时后进行数据重传。则在本次上报时间的基础上，增加1小时作为系统唤醒时间，将其设置到RTC的闹铃参数中。随后关闭LoRa模块和Zigbee模块的电源，进入停机休眠模式。

5 结论

本文提出的LoRa无线补盲网关已完成软硬件的设计，并在接入基于LoRa技术的智能水表集抄系统中进行了样机联调。在近半年的现场投运测试过程中，LoRa信号盲区的水表通过补盲网关可以重新接入系统，进行数据的抄收和上报。补盲网关对下行Zigbee无线网关的水表数据抄收尚未发现丢包情况，上行LoRa无线的数据上报虽偶有掉线，经过重传后，数据可以正常上报。补盲网关正常工作时，整机功耗在20mA左右，当主控芯片进入停机休眠模式后，整机功耗可达8uA左右，基本上达到设计预期指标。