基于泛在電力物聯網LoRa通信技術的研究

葛世偉 高平 潘傳佑

摘 要：文中研究分析了泛在電力物聯網的感知層、網絡層、平臺層和應用層4層架構。通過無線LoRa調制技術基于泛在電力物聯網的網絡層實現感知層的要求，將數據接入網絡層后上傳到平臺層。研究開發了一組基于泛在電力物聯網要求的LoRa采集器和LoRa網關。最后通過組網通信測試驗證了LoRa采集器和LoRa網關在泛在電力物聯網系統中應用的可行性。

關鍵詞：泛在電力物聯網;LoRa采集器;LoRa網關器;星型網絡;通信;調制

中圖分類號：TP393;TN919.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

泛在電力物聯網建設大綱對于電力物聯網的建設和發展進行了工作部署，指出泛在電力物聯網的架構由感知層、網絡層、平臺層和應用層構成，其中感知層是物聯網系統的最底層，其主要功能在于負責信息采集和信號處理。通過感知識別技術使得物與物通過網絡連接。而網絡層通過現有基礎網絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸。構建泛在電力物聯網系統，網絡層接駁感知層和平臺層，具有強大的紐帶作用[1-2]。

LoRa通信通過無線LoRa調制技術基于泛在電力物聯網的網絡層，實現感知層的要求，將數據接入網絡層，并將數據上傳到平臺層。本文將基于泛在電力物聯網的體系架構和關鍵技術要求進行LoRa通信技術的研究。

1 泛在電力物聯網的概念及系統架構

1.1 泛在電力物聯網基本概念

“泛在”即為“廣泛的存在”，是對傳統電力物聯網概念的拓展，應用“大數據云智能”等現代信息通信技術（ICT）與便捷、靈活的新一代信息通信系統在線連接能源電力生產與消費各環節的人、機、物，承載貫通電網生產運行、企業經營管理和對外客戶服務的數據流與業務流，實現電力系統狀態全面感知、信息高效處理。泛在電力物聯網其末端具有數以萬計的信息感知節點，將電力系統的電網側、發電側、用電側數據，與溫度、濕度等環境數據，以及與用電終端有關的市場報價、結算價格等交易數據納入所采集的數據類型中。泛在電力物聯網能夠通過獲取或共享電力生產、傳輸與利用全環節、多類型數據，實現對智慧電力生態圈的全面

感知[3-4]。

1.2 泛在電力物聯網系統架構

泛在電力物聯網作為應用于電網的工業級物聯網，其體系結構在沿襲物聯網感知延伸層、網絡傳輸層和平臺應用層3層架構的基礎上，增加了邊緣計算層，其結構如圖1所示。

本文將基于泛在電力物聯網基本架構中邊緣層通信網關的技術要求，將采用LoRa通信網關實現對設備感知層信息的采集，同時能夠將設備感知層信息傳送到云平臺層。

2 LoRa通信設備硬件設計

2.1 通信模組硬件配置

LoRa組網一般采用星型網絡組網方式，以網關為中心，外部連接多個數據采集模塊，由于在現場可能有多個網關，分布多個LoRa網絡，根據圖2對組網方式進行說明。圖2假設配電房中分布有2個配電箱，每個配電箱中的設備由相互獨立的LoRa網絡組成，配電箱1的網絡1由網關A和采集模塊A1～AN組成，配電箱2的網絡2由網關B和采集模塊B1～BN組成，即不同的LoRa網絡工作在不同的信道，避免相互干擾。

圖2配電箱網絡中，LoRa 網關有2個模塊，分別為模塊A和模塊B，其中模塊A用于與LoRa采集模塊進行電力參數采集通信，模塊B用于組網和接收采集模塊上傳的告警信息。現場網關的LoRa模塊A均工作在不同的信道，而現場所有網關的LoRa模塊B均工作在相同的信道。LoRa網關具備“組網按鈕”，即按鈕按下時模塊B開啟組網模式;采集模塊出廠時默認為組網模式，且出廠工作信道與網關的模塊B相同，并具備“復位按鈕”，即按鈕按下時采集模塊恢復到組網模式。

2.2 采集器硬件設計

LoRa采集模塊主要實現電力參數的采集與數據上傳，具體包含電源模塊，2路RS 485串口，2路數據DI，STM32F103單片機[5]。采集器硬件設計如圖3所示。

2.3 LoRa網關硬件設計

LoRa網關采用高性能ARM處理器及Linux操作系統，主要功能為LoRa網絡組建、LoRa網絡管理、數據傳輸及協議轉換、數據存儲等。在智能配電系統中，集中器是智能元件與服務器的橋梁：一是實現與智能元件的數據交換，根據服務器下發的指令接收智能元件的運行電氣數據，遠程實現智能配電要求的“四遙”;二是根據智能配電系統設計要求，向上與服務器通信，將數據和事件傳送給服務器。

LoRa技術智能配電系統的集中器設備硬件電路功能模塊包括如下7個部分：

（1）輸入供電電源/復位監控電路可為系統提供長時間工作的電源和復位監控功能;

（2）系統狀態指示電路通過LED直觀顯示系統的運行狀態;

（3）中央處理單元為系統的數據處理中心;

（4）PC機實現調試配置的USB/RS 232通信電路;

（5）將集中器的數據進行遠程傳輸的硬件電路部分包括WiFi硬件電路、以太網硬件電路、3G/4G通信模塊電路;

（6）LoRa通信技術模塊電路;

（7）存儲器電路存儲系統參數，具有遠程升級功能，可以遠程查詢和定時上報。

具體的LoRa網關硬件設計功能如圖4所示。

LoRa網關在系統中承擔的任務較多，中央處理器芯片的選擇基于端口資源和運算能力兩方面。LoRa網關中央處理器主控芯片選用基于ARM公司生產的32位ARM9平臺[6]，具體的硬件結構如圖5所示。

3 LoRa通信設備軟件設計

3.1 LoRa采集器軟件設計

LoRa采集器作為從機設備與LoRa網關組網，LoRa采集器對處于接收網關的查詢報文進行回復。LoRa采集器不僅需滿足MODBUS-RTU通信協議，還需要滿足DLT/645電力通信協議。LoRa采集器軟件功能流程如圖6所示。

3.2 LoRa網關軟件及組網軟件設計

LoRa網關和LoRa采集器組網時需由LoRa網關發起組網請求，另外LoRa網關作為組網系統的主機，不僅可向下查詢采集器的信息，還可以向上通過以太網通信方式將信息傳送到DTU，從而將信息傳送到云端。LoRa網關軟件及組網軟件設計流程如圖7所示。

4 測試分析

網關與2個采集模塊組網，每個采集模塊下掛10只多功能電表，如圖8所示。

DTU后臺配置軟件數據監視點表界面如圖9所示。

5 結 語

本文研究分析了泛在電力物聯網的感知層、網絡層、平臺層和應用層。LoRa通信通過無線LoRa調制技術基于泛在電力物聯網的網絡層，實現感知層的要求將數據接入網絡層，之后上傳到平臺層。研究開發了一組基于泛在電力物聯網要求的LoRa采集器和LoRa網關，并通過組網通信測試證實了LoRa采集器和LoRa網關在泛在電力物聯網系統應用中的穩定性能。

參考文獻

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