关于基于LoRa的远程抄表系统的设计与实现

0 引言

随着工业自动化、城市居民住宅建设和农村小城镇建设的日益发展，独立电能表数量迅速增多，抄表计量也日趋复杂。传统的人工电力抄表方式已不能满足当今社会的需求，远程抄表已成为智能电网中重要的组成部分。近年来，利用ZigBee技术构造的无线自动抄表系统的技术水平有了长足的进步[1]，但是ZigBee只适用于近距离传输，最远通信距离为100 m，且ZigBee网络很容易产生同频干扰，影响网络质量；在实际应用中由于电能表安装的物理范围广而且有些地区遮挡物较为严重等问题，不能将电能表数据全部抄回。为解决上述问题，本文提出了一种基于LoRa的新型远程抄表系统，该抄表系统通信距离远、功耗低[2]，能很好地满足无线智能抄表系统的需求。系统通过中继器将无线信号进行中继转发[3-4]，建立有效、快捷且可靠的路由路径，最终将电能表数据抄读回来。基于SX1278的LoRa是一种新型无线通信技术，它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，具有更好的抗干扰性[5-6]。

1 系统总体设计方案

基于LoRa的远程抄表系统由路由模块、中继器、电能表组成。路由模块对电能表集中管理，并且负责对电能表的数据抄读；中继器负责为电能表中继无线信号；电能表为系统的从设备，也是中心设备，所有其他设备最终都是为了抄读电能表的计量数据服务。系统运行时，由于电能表安装的物理范围广，必然存在直抄近端区及中继远端区这两种情况。对于直抄近端区，可以通过无线模块直接抄读；对于中继远端区，需要通过中继器进行无线数据转发，系统设计框图如图1所示。

基于LoRa的远程抄表系统采用的网络为主从式，由路由模块集中管理中继器、电能表。在这里把网络构建分成两部分：路径探测请求流程和路径探测响应流程。路径探测请求流程由路由模块发起，采用洪泛广播的方式传输，中继器在接收到路径探测请求帧后，根据其内容进行选择性中继转发，最终中继至表端，这也就是请求抄表的过程，通过路径探测请求流程来寻找抄表的路径。路径探测响应流程由末端中继器发起，中继器在接收到表端的路径探测响应帧后，根据自身存储的中继路径构建路径探测响应帧回传给路由模块，采用单播的方式传输，一旦路由模块接收到路径探测响应帧，就可以确定该路径能够实现抄表。

2 SX1278

SX1278是LoRa射频部分的核心芯片，它集成规模小、效率高,工作频段为137～525 MHz[7]。LoRa是低功耗广域网通信技术的一种，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。当SX1278工作在LoRa模式时，能获得超过-148 dBm的高灵敏度[8]。SX1278部分关键性能数据如表1所示。

2.1 SX1278芯片及外围电路

SX1278芯片及外围电路图如图2所示。射频收发芯片SX1278通过SPI接口以及RF_DIO1~RF_DIO3与MCU进行信号传输。

2.2 天线端口电路

该部分电路包含射频信号的收发切换控制以及天线的两种兼容接口（IPEX座接口和弹簧天线接口），L3、C14、C15组成π型匹配网络，用于对天线的匹配，具体电路图如图3所示。

3 路径探测流程

路径探测是指路由模块、中继器、表端的网络构建过程，网络构建为后续的集中器抄表提供通信路径。

3.1 路径探测请求流程

路由模块在发起对某个表端模块的路径探测后，先设定路径探测超时定时器，然后等待子节点对路径探测请求帧的中继转发以及路径探测请求的响应处理[9]；中继器对路径探测请求帧进行中继转发，各中继器在中继转发时遵循时隙同步原则[10]，在一个有效的时隙周期内只对同一网络的同一目标地址的路径探测请求帧转发一次，对于在该时隙周期内接收到多条相同目标地址的路径探测请求帧，中继器可以保存3条记录，以作路径探测响应帧使用，流程框图如图4所示。

3.2 路径探测响应流程

中继器在接收到表端模块发送的路径探测响应帧后，根据路径探测请求流程记录的该目标节点的中继路径进行依次转发，在此转发过程中不启用时隙同步流程，作单条命令固定时间间隔延时，路由模块在接收到路径探测响应帧后，选择存储中继路径，用以后续的抄表使用，流程框图如图5所示。

4 各路径探测命令帧解析

在进行路径探测的过程中需要发送一些探测命令帧，发送探测命令帧的过程就是寻找路径的过程，通过探测命令帧的回复可以确定该路径是否能实现抄表。在本文的设计中提出的探测命令帧有4种：发起路径探测请求帧、中继路径探测请求帧、发起路径探测响应帧、中继路径探测响应帧。

4.1 发起路径探测请求帧

在发起路径探测请求帧之前首先要确定路由探测请求帧的各项参数：网络规模(S)、时隙号、允许中继次数(DM)、当前中继次数（DC），这些参数的确定在路径探测过程中是较为重要的。确定新建网络的规模就是确定中继器的个数，假设系统所有表档案数为300，其中10%的表端需要安装中继器来完成信号的中继，则中继个数为31，即S=31。将一个超帧中的时隙总数NS设置为网络规模，即NS=S。中心节点的时隙号设置为0。允许的中继次数是指路由模块需要探测表端的n级中继路径，路由模块在发送完路径探测请求帧命令后，等待一个RT来判断是否探测成功。

式中BS是标准时隙时间为，300 ms；ST是发送路径探测命令消耗时间；IT是指当前中继器记录多条路径时，发送每条路径探测命令响应帧的间隔时间。对于当前中继次数（DC），每中继一次DC加1。

4.2 中继路径探测请求帧

中继器在接收到中继路径探测命令后，根据探测命令的参数来判断是否继续转发，中继器可并行处理3个不同网络、不同目标节点的路径探测命令请求帧，每条命令处理流程独立进行，互不影响。在处理前首先要检查该目标节点的路径探测请求帧是否已经转发、当前的中继次数是否大于允许中继次数以及命令帧中的中继列表是否已经包含自己。处理流程图如图6所示。

在图6中涉及发送时隙的计算，发送时隙的计算会因不同节点发出的路径探测命令而不同。

若接收到的为中心节点发出的路径探测命令，则：

4.3 发起路径探测响应帧

中继器在接收到表端模块的路径探测请求帧的响应命令后，发起路径探测响应命令，其流程图如图7所示。

在图7中若查询到记录有路径探测请求帧，则选择记录的最优路径构建路径探测响应帧，然后将选择的路径探测命令进行反向传输，填充下行报文，中继最大级数为上行报文的中继列表数，当前中继索引等于中继最大级数。

4.4 中继路径探测响应帧

中继器在接收到路径探测响应帧后，检查路径探测响应帧中的上行报文的中继列表地址，判断当前中继索引对应的中继地址是否为本中继器地址，然后根据中继列表计算下一级中继地址，填充下行报文信息，转发给下一级中继器。

5 抄表流程设计

集中器下发对单个表端的抄表命令后，路由首先判断目标节点是不是在档案中存在，没有则返回否认帧，依次用存放的路径去抄读，直到抄到数据或者路径全部用完为止，流程图如图8所示。如果所有的路径都用完后还没有抄到数据，则不再探测新的路径，直接返回否认帧。

6 数据分析

为了测试该路径探测方法的有效性，对公司园区内500个电表进行了大量组网测试。表2是窄带载波和LoRa两种不同组网机制在同一组网环境下的组网时间和中继深度。

表3是基于LoRa的路径探测方法在园区内的组网结果，可以看出网络的最大中继深度为3级，点对点直抄回的电表数量为342个，一级中继抄回的电表数量为83个，二级中继抄回的电表数为52个，三级中继抄回的电表数为23个，园区内的500个电表都能抄回。

从表2、表3可以得出，该远程抄表系统能够在较短的时间内完成组网，网络的复杂度也低于窄带载波，组网范围广，组网稳定，抄表率也高。

7 结束语

本文所设计的基于SX1278的新型远程抄表系统性能稳定，功耗低，组网速度快，能以较小的中继深度完成组网，网络复杂度低，能有效解决电能表安装物理范围广或地区遮挡物较为严重时数据不能抄读的问题。该系统已成功应用于抄表行业中，这对于将LoRa技术广泛应用于抄表行业打下了基础，具有良好的实用价值。