Lora通信技術(shù)在故障指示器中的應(yīng)用

嚴(yán)鴻鵬，胡 可，胡龍源

（平高集團(tuán)智能電力科技有限公司 河南 平頂山 467000）

1 引言

現(xiàn)有的架空線路故障定位系統(tǒng)產(chǎn)品，采集單元和匯集單元之間的通信方式是RF射頻433M無線，每個匯集單元標(biāo)配一個GPRS遠(yuǎn)程通信模塊，及時有效地將線路運(yùn)行狀態(tài)信息上傳至通信主站。由于每個安裝站點(diǎn)頻繁的與主站通信，不但增加了主站的負(fù)擔(dān)，而且產(chǎn)生大量的GPRS流量費(fèi)，導(dǎo)致整個架空線路故障指示器的成本會比較高，此外，在一些信號不好的地區(qū)，無法實(shí)現(xiàn)每個站點(diǎn)都能與主站通信。

LoRa全稱是Long Range，即遠(yuǎn)距離的意思，由semtech公司研發(fā)并推廣的一種低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，特點(diǎn)是在相同的功耗下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線通信射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍，已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、智慧停車、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。今年初，隨著中國LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（CLAA）的成立，LoRa技術(shù)的CLAA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案已經(jīng)形成，國內(nèi)LoRa網(wǎng)絡(luò)部署全面起跑，可以預(yù)見未來中國LoRa網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的前景[1]。

2 LoRa技術(shù)特點(diǎn)

LoRa采用星形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比，其具有最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和最小的傳輸延遲。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）長距離：1～20 km。

（2）節(jié)點(diǎn)數(shù)：萬級，甚至百萬級。

（3）電池壽命：3～10年。

（4）數(shù)據(jù)速率：0.3～50 kbps。

3 LoRa的優(yōu)勢

3.1 大大的改善了接收的靈敏度，降低了功耗

LoRa采用線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，高達(dá)157 db的鏈路預(yù)算使其通信距離可達(dá)15 km(與環(huán)境有關(guān))。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

3.2 基于該技術(shù)的網(wǎng)關(guān)/集中器支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大

網(wǎng)關(guān)是節(jié)點(diǎn)與IP網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁(通過2G/3G/4G或者Ethernet)。每個網(wǎng)關(guān)每天可以處理500萬次各節(jié)點(diǎn)之間的通信(假設(shè)每次發(fā)送10 Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率10%)。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率20 dBm(100 mW)，那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2 km左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá)10 km。

4 LoRa通信技術(shù)在故障指示器中的應(yīng)用

LoRa通信技術(shù)在故障指示器中主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中，但如何將LoRa與故障指示器相結(jié)合，提供具有高可靠性的LoRa網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將是研究的一大難點(diǎn)。以下介紹三種LoRa技術(shù)與故障指示器的結(jié)合方案[2]。

圖1 方案一LoRa技術(shù)與故障指示器的結(jié)合方案

方案一：在同一個區(qū)域內(nèi)的故障指示器，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將采集單元數(shù)據(jù)上傳至匯集單元，匯集單元再通過運(yùn)營商（2G/3G/4G）匯總到主站的服務(wù)器，如圖1所示。

圖2 方案二LoRa技術(shù)與故障指示器的結(jié)合方案

方案二：在同一個區(qū)域內(nèi)的故障指示器，通過433M模塊將數(shù)據(jù)上傳至匯集單元（每一臺匯集單元內(nèi)嵌入LoRa模塊）。由匯集單元通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)酵ㄐ胖髡尽．?dāng)某個匯集單元無法成功連接到主站時，可自動連接相鄰的匯集單元，通過該匯集單元上傳數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖3 方案三LoRa技術(shù)與故障指示器的結(jié)合方案

方案三：在同一個區(qū)域內(nèi)的故障指示器，通過433M模塊將數(shù)據(jù)上傳至匯集單元（每一臺匯集單元內(nèi)嵌入LoRa模塊）。由匯集單元組成自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)單元，當(dāng)某臺匯集單元與上一級匯集單元通信異常，自動連接同一級節(jié)點(diǎn)的匯集單元，并將信息傳給該匯集單元，由該匯集單元將信息傳到上一級節(jié)點(diǎn)，從而到終節(jié)點(diǎn)。終節(jié)點(diǎn)匯集單元將所有數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至主站，如圖3所示。

方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無法有效降低運(yùn)行成本。在數(shù)據(jù)并發(fā)或者在信號弱的地區(qū)，數(shù)據(jù)易丟失。

方案二針對方案一的單個安裝點(diǎn)數(shù)據(jù)易丟失問題做了優(yōu)化，安裝點(diǎn)之間能夠通信，提高了數(shù)據(jù)通信可靠性，但沒有改善運(yùn)行成本及減小主站負(fù)擔(dān)。

方案三針對方案二又做了進(jìn)一步優(yōu)化，所有安裝點(diǎn)都是自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)單元，大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。此外，只有終節(jié)點(diǎn)配有GPRS模塊，所有信息通過該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程上傳到主站，大大減小了主站的負(fù)擔(dān)，而且顯著降低了運(yùn)營成本。

5 結(jié)語

LoRa通信技術(shù)在無線傳輸方面具有長距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點(diǎn)等特點(diǎn)，在故障指示器中作為網(wǎng)關(guān)可提高數(shù)據(jù)的通信可靠性，并大大降低主站的負(fù)擔(dān)與運(yùn)營成本。但LoRa技術(shù)擴(kuò)頻后的通信帶寬窄，因此傳輸速率低，在需要快速傳輸數(shù)據(jù)的故障定位系統(tǒng)中是否具有優(yōu)勢還需進(jìn)一步研究。