基于LORA的物聯網燃氣表抄表系統設計

楊中翔 趙捷豐 鄭培強

摘要

針對GPRS在無線抄表網絡中功耗大、網絡結構復雜的缺點，提出了一種基于LoRa的物聯網智能抄表系統的設計方案該方案以LoRa調制技術為基礎，采用星型網絡進行自組網，從而實現了通信距離長且在各種復雜網絡環境下都能夠正常工作的智能抄表系統;本文主要介紹了整個系統的網絡拓撲結構、每個LoRa表端節點結構的設計方案以及應用層通信協議的設計方案.最后對系統進行了測試分析;測試結果顯示，該方案具有通信距離長、功耗低、實時性好的特點，有著廣泛的應用前景。

【關鍵詞】智能燃氣表 物聯網 燃氣表 LoRa通訊 抄表系統

隨著物聯網應用的不斷發展，越來越多的燃氣表接入了網絡，并逐漸在大數據采集、大數據分析方面發揮著重要的作用。低功耗廣域物聯網（LPWAN）就是在此大背景下出現的產物。廣域網通信技術按頻譜是否授權可以分成以下兩種類型：

（1）非授權，如Lora和Sigfox等;

（2）授權，3GPP制訂的蜂窩通信技術，如2G、3G、4G，以及基于4G演進而來的長期演進（LTE）CAT-NB1，也稱為窄帶物聯網（NB-IoT）技術。

低功耗廣域物聯網（LPWAN）是在物聯網應用中為M2M通信場景優化的一種有效的解決方案。LoRa作為LPWAN通信技術中的一員，是由全球知名模擬混合信號與半導體供應商Semtech公司發布的一種專用于無線電調制解調的技術，融合了數字擴頻技術、數字處理技術和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。由于LoRa技術融合了多項先進技術，綜合了多種技術的優越性，其最大的特點在于可以在同等功耗下取得更遠的通信距離，無需中繼器，功耗降低，抗干擾性和安全性也得以提高。

雖然GPRS有著依賴現有運營商不需要組網的優點，但是GSM網絡的清退一直是用戶需要面對的一個問題，而且GSM網絡的頻譜利用率并不高，還占用著寶貴的900M和1800M頻段。并且GPRS的功耗遠大于現在的LoRa。本文將LoRa通信技術應用到燃氣表無線抄表中，實現燃氣表的遠程抄取、故障通知和遠程監控等一系列功能。解決了人工抄表耗費大量的人力、財力、也物力。也解決了人工抄表所帶來的誤抄、漏抄的情況。而LoRa智能燃氣表能實現自動抄表、自動續費，燃氣公司可以遠程管理，而不用派遣員工去操作，極大的節省了人工成本。因此，將LoRa應用于現有的智能燃氣表，有著重要現實意義。

1 系統整體設計

LoRa的物理層和MAC層設計充分體現其對物聯網業務需求的考慮。LoRa物理層利用擴頻技術可以提高接收機靈敏度，同時終端可以工作于不同的工作模式以滿足不同應用的省電需求。

基于LoRa的智能燃氣表系統如圖1所示，它包括了燃氣表（用戶）、中轉站與燃氣表管理平臺（燃氣公司）。燃氣表將采集到的流量數據通過LoRa模塊一對一發送到集中器上，集中器匯總所有收到的燃氣計量數據，并將數據通過GPRS基站中轉發送至服務器端。

相比于網狀網絡，LORaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，消除了同步開銷和跳數，具有結構簡單和低功率等特點，因此在小區燃氣抄表中采用星型、鏈型網絡，就可以滿足實際需求。理論上，LoRa網絡中，一個父節點可以容納最多 300K個終端節點。但是在實際使用中，較多的終端節點會使協調器負擔過重，以至于導致網絡癱瘓或誤碼率增加。因此，對通信通道進行設置，將一個區域的LoRa網路分成若干個網絡，從而降低通信鏈路的開銷。

2 系統平臺設計

2.1 系統硬件設計

主芯片作為智能燃氣表的最為核心的部分，負責控制整個無線抄表系統數據的采集、計算、儲存和傳輸，是整個系統的關鍵所在。本系統采用了STM32L151C8T6單片機。它基于ARM CortexM3內核，同時又具有超低功耗的單片機，該單片機具有5檔低功耗模式可供選擇，從而適用于各種低功耗場景。相比于同是ST旗下的STM8L系列單片機，STM32L1系列單片機提供了更寬的動態電壓輸入范圍、超低功耗的時鐘晶振、比較器、DAC和硬件加密算法。硬件設計中LoRa通訊部分采用了LSD4RF-2F717M91這款模塊，該模塊支持透傳功能，同時具有高性能、高抗干擾、高可靠性的優點。

2.1.1 燃氣表節點設計

符合國標規定的燃氣表，應具有氣量計量、數據存儲、信息顯示等功能。本設計燃氣表節點硬件結構如圖2所示。燃氣表節點主要用于采集用戶的燃氣量使用信息，并負責對用戶信息的初步打包。另一方面響應集中器節點下發的指令，并將采集的數據上傳至集中器，從而實現燃氣表的氣量數據采集以及遠程控制功能。

2.1.2 集中器節點設計

集中器節點負責表端指令的下發、表端數據的接收以及表端數據的上傳，同時還具有表端信息監控以及故障告警等功能，其硬件結構圖如圖3所示。集中器節點通過LoRa透傳的方式接收一片區域內所有燃氣表端上傳過來的信息，并通過GPRS的方式把數據傳輸至燃氣表管理平臺數據中心;同時從數據中心獲取對表端的控制信息，并在下一個通訊周期中通過LoRa透傳的方式下發到燃氣表采集節點中。

2.2 系統軟件設計

本系統采用FreeRTOS實時操作系統，它提供了搶占式、協作式和混合配置選項，從而保證了多任務在FreeRTOS實時操作系統能夠正確地被執行。系統首先調用HardwareinitU對系統硬件進行初始化，然后使用xTaskCreate（）創建定時上傳、上發等任務。最后通過vTaskStartScheduler（）啟動調度器，由FreeRTOS操作系統開始接管MCLJ，并按照預定的任務開始運行。燃氣表節點采用事件觸發，當有事件到來的時候，才喚醒MCU，使用這種控制方式能有效的降低系統功耗。

2.2.1 通信協議設計

本系統對應用層協議進行了自定義協議設計，對燃氣收發數據進行打包與解包，從而實現數據的透明傳輸。數據傳輸方式采用數據幀模式，并且在數據傳輸中使用CRC16校驗算法，確保傳輸的信息正確無誤。在整個抄表流程中，每個燃氣表節點劃分了固定的上傳時間片，集中器在固定的時間片上對燃氣表節點下發上傳指令，燃氣表節點收到集中器下發的信息后，將數據上傳給集中器節點。之后集中器節點將數據打包上傳至數據中心。

本系統的無線抄表方式主要有三種，分別是定時抄表、單播抄表、廣播抄表。本系統抄表數據報文長度為定長35Byte，具體為設備號（2Byte）+表號（7Byte）+幀命令（2Byte）+載荷（24Byte）。其中，設備號為表具類型標識代碼，表號為表具出場唯一標識碼。幀命令為燃氣表節點與集中器內協商的指令代碼，不同的幀命令可以實現不同的功能請求，如0x0201為顯示當前累計氣量，0x0202為上月總用氣量等。在進行首次傳輸之前，數據中心需要對集中器下發注冊指令，注冊該集中器所管理的燃氣表節點表具信息。當注冊指令下發完成之后，燃氣表節點就可以通過LoRa透傳與集中器進行通信了。部分幀命令及含義如表1所示。

2.2.2 燃氣表節點軟件設計

燃氣表節點主要完成兩個功能：一是完成燃氣表的計量和存儲任務，二是通過LoRa模塊和集中器模塊發生數據交換，從而完成物聯網部分的功能。當燃氣表節點收到集中器節點下發的命令時，數據首先進行CRC校驗確保數據準確無誤。確保無誤之后，再根據命令幀中所請求的內容對燃氣表節點進行相應的操作，燃氣表節點軟件工作流程如圖4所示。

2.2.3 集中器節點軟件設計

集中器節點主要承擔了一個中轉站的任務，即一邊既需要通過LoRa透傳與燃氣表節點通訊，另一邊也需要通過GPRS或運營商網絡與數據中心進行通訊。其節點流程圖如圖5所示。當集中器收到數據中心下發的指令或燃氣表節點上報的數據時，首先先對數據進行CRC校驗，校驗通過后再判斷指令的來源。如果是來自燃氣表節點，那么根據幀命令儲存數據并上傳至數據中心。如果是來自數據中心的命令，則根據命令的操作對象來確定具體的操作流程。

3 系統測試與分析

通過搭建測試環境，驗證該抄表系統的實際運行效果。測試網絡包括1個集中器節點、2個燃氣表節點，集中器節點通過網絡線連接交換機從而與PC機相聯，利用串口調試工具中的TCPClient功能建立TCP連接，從而相互發送數據。本次測試采用的測試參數為：LoRa射頻中心頻率470MHz，發射功率20dBm、SF-12、CR=4/6。

測試中，燃氣表節點發送虛擬采集數據給集中器節點，通過集中器收到的數據包個數來判斷數據的丟包率。本次實驗選取了兩種典型情況，一是在寬闊馬路的人行道上模擬空曠情況下的數據傳輸成功率。一種是通過在房間內設置格擋來模擬在有格擋物條件下的數據傳輸成功率，格擋物采用190mm厚的空心磚墻。每次測試都以傳輸100個數據包為基準。測試結果如表2、表3所示。

由表2、表3可知，隨著通訊距離的增加，數據丟包率逐漸上升。從在人行道上的測試結果來看，當通訊距離小于2.16km時，丟包率小于13%，在可接受范圍內;從房屋內的格擋物測試結果來看，在格擋面數小于7面的情況下，丟包率能滿足使用要求。

測試結果表明，該系統具有通信距離長、穿墻能力強、以及具有較高的系統穩定性。

4 結論

本文將LoRa技術應用于物聯網無線智能抄表系統中。通過長距離、低功耗的LoRa無線網絡與GPRS網關配合實現數據中心與各燃氣表之間的通訊，從而實現表的實時管理和監控。

LoRa技術集成了傳輸距離遠、誤碼率低、抗干擾等諸多優點，適用于房屋密集、通信環境比較復雜的傳輸場合。從實驗結果可知，系統工作狀態良好、通訊距離滿足使用要求、同時組網便捷可靠。能很好的滿足物聯網抄表系統的要求，具有廣泛的應用前景。

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