ChirpIoT技術在數字孿生監控系統的應用

摘 要：隨著全球低碳環保的倡議和國家的號召，利用數字孿生技術可以實時對物理系統進行監控、分析和優化，從而提高生產效率、減少能源消耗、降低排放量等。數字孿生技術在低碳環保方面具有巨大的潛力。在無線感知傳輸方面，隨著近些年國內半導體芯片公司的發展，諸多新技術應運而生。國產無線通信技術是否真正能夠完成數字孿生建模的感知應用，對此采用國內較為新型的技術ChirpIoT，通過電視臺監控系統進行驗證，實踐證明其完全滿足孿生系統的物理實體到數字模型的無線感知端傳輸要求。

關鍵詞：國產LoRa；ChirpIoT；ChirpLAN；數字孿生；LPWAN；監控系統

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-04

0 引 言

數字孿生（Digital Twin）于2010年NASA技術報告中被提出[1]，所謂的數字孿生，是指通過數字化技術將實體世界的物理對象、系統、過程、環境等元素進行建模、仿真和虛擬化，以便更好地理解和管理這些物理實體。數字孿生技術可以實現對物理系統的追蹤、監測、優化和預測，為實體世界的決策和運營提供更加準確、高效和可靠的支持。

數字孿生的一個重要組成部分是數字化建模，建?；趥鞲衅鲾祿蜔o線通信技術，最終將物理實體信息數據收集整合成數字孿生模型。隨著數字化進程的演進和發展，無線通信技術可服務于此，如WiFi、藍牙、4G、5G、ZigBee、LoRa等[2]。近些年，隨著逆全球化和全產業鏈供應需求的增長，部分無線通信技術逐漸發展成熟，如類LoRa通信技術—ChirpIoT技術逐漸應用到相關領域，本文嘗試研究ChirpIoT在數字孿生監控系統中的應用與實踐。

1 系統總體設計

本系統作為辦公運營數字孿生平臺建設的一部分，主要實現某電視臺的空間照明，空調，電力系統以及環境溫濕度的監測。主要基于ChirpIoT無線傳輸技術，利用ChirpLAN組網協議與某大型云平臺進行對接交互，最終將數字孿生物理系統轉換為數字孿生模型，進而依托孿生模型進行物理空間的能耗管理和監控，協助電視臺實現國家雙碳戰略[3]，同時要滿足通信技術安全、可靠和可控的需要。

系統要保證現有物理空間結構不變，同時要盡可能減少現場的施工布線改造，還要考慮成本等因素，所以采用國產遠距離、低功耗廣域網無線通信技術ChirpIoT進行系統方案的實施。系統主要分為4個部分：

（1）無線電量采集單元：實時讀取各類應用如照明、空調等設備的電量并通過無線方式發送到網關單元，進而傳輸到孿生云平臺[4]。無線采集單元較多，網關與采集單元個數比例約為30∶1。

（2）無線溫濕度采集單元：實時采集各場所的溫濕度數據并通過無線方式發送到網關單元，進而傳輸到孿生云平臺，節點數目較多。

（3）無線孿生接入網關單元：無線電力/溫度采集單元和云平臺通信橋梁，一個網關可以覆蓋通信范圍內的多個采集單元。

（4）數字孿生云平臺單元：接收無線設備端的數據，構建與物理模型對應的數字孿生模型，為工作人員提供相應數據解碼，同時支持相應能耗策略控制。

系統結構如圖1所示。

2 硬件設計

硬件部分主要分為無線通信、電量采集、溫濕度采集、接入網關等模塊。

2.1 無線通信

該部分采用磐啟微自主研發的類LoRa技術[5]芯片PAN3028，該芯片是一款采用ChirpIoT調制解調技術的低功耗遠距離無線收發芯片，支持半雙工無線通信，工作頻段為370～590 MHz和740～1 180 MHz，具有高抗干擾性、高靈敏度、低功耗和超遠傳輸距離等特性。最高具有

-140 dBm的靈敏度，22 dBm的最大輸出功率，使其成為遠距離傳輸和對可靠性要求極高的應用最佳選擇。該芯片[6]擁有獨立自主的知識產權，芯片對外是SPI接口。圖2為模塊的參考電路。

2.2 電量采集

電量采集模塊主要放置于各配電箱，在保證不破壞現有線路的情況下，能夠實時采集各用電電力單元（如照明、投屏、機房、空調等部分）的電量，每個電力單元都有

220 V供電接口。由于采集的是交流電，我們采用小型互感器配合綜合電力終端進行電量采集，內置一個MCU，將采集的數據通過無線單元PAN3028發送出去。電路結構框圖如圖3所示。

2.3 溫濕度采集

溫濕度采集單元是壁掛式，定期將數據上報給網關單元，采用干電池供電，對功耗要求較高，所以要求低功耗處理。本單元主要包括溫濕度采集傳感器、黑白液晶屏、無線傳輸模塊。電路結構框圖如圖4所示。

2.4 接入網關

網關部分主要放置在弱電間，采用市電220 V供電，主要通過ChirpIoT接收溫濕度和電量采集單元的數據，然后通過4G信號傳輸至孿生云端。這里由于接入的無線節點比較多，ChirpIoT通信部分采用4通道設計，主要包括主控單元、4G模塊、ChirpIoT模塊。電路結構框圖如圖5所示。

3 軟件設計

軟件部分主要涉及電量的采集傳輸，溫濕度的采集傳輸以及網關端和各采集單元的通信和云端數據交互。由于技術相對成熟，這里不做過多介紹，重點介紹通信部分。通信涉及組網和傳輸，組網協議采用磐啟微的ChirpLAN無線通信協議，針對不同的采集單元做不同的應用和介紹。

3.1 無線通信

3.1.1 無線通信協議

ChirpLAN是基于ChirpIoT的通信技術，也是一種LPWAN組網協議[7]，類似LoRaWAN協議[8]，但也存在差異。其采用按需可靠的數據收發機制，是適用于遠距離低功耗小型局域網（LAN）的網絡通信協議。ChirpLAN協議應用的網絡架構從底層到上層分別是物理層、鏈路層、網絡層和應用層。其中，協議只對鏈路層和網絡層做了規范。

物理層：基于磐啟微的ChirpIoT通信技術射頻芯片。

鏈路層：負責實現收發邏輯，提供重傳、碰撞檢測、入網等功能。鏈路層為上層網絡層提供接口，使用這些接口，網絡層可以完成對射頻的相關操作，而不用關注這些操作如何實現。

網絡層：負責網絡協議的控制，數據封包和解包，網絡地址解析，模式管理等工作。

應用層：具體業務邏輯，如MCU外設，AT指令控制等。

ChirpLAN協議網絡架構如圖6所示。

本系統主要采用協議的組網部分，包括：入網功能，Mode A和Mode C部分，分別對應溫濕度采集單元和電量采集單元。網關部分做了輕微改造，支持多網關融合處理。

3.1.2 無線部分參數

應用時要對RF相關參數進行評估和測試分析，主要根據傳輸距離評估相應數據包的發送時間以及傳輸速率。PAN3028的數據包傳輸速率計算公式如下：

（1）

（2）

（3）

式中：PL為payload的長度，單位為Byte；SF為擴頻因子；BW為帶寬；CRC表示模式選擇，1表示有CRC校驗，0表示無CRC校驗；CR表示編碼速率；R表示傳輸速率，單位為Byte/s。本次應用中，CR=1，SF=11，BW=62.5 kHz，PL=14，計算實際速率R約為0.1 Kb/s。

3.2 電量采集端軟件設計

電量采集端對功耗沒有特殊要求，故采用全速運行模式，即協議中的Mode C模式，該模式支持雙向通信，且終端和網關可以隨時通信，該模式的數據實時性好，但是終端需要消耗更多電量。通信時序如圖7所示。

模塊的工作步驟如下：

（1）上電，入網，入網成功后，存儲入網后分配的數據信道，該信道用于后續的數據傳輸。

（2）每隔5 min定時發送電量數據包，如果未發送成功，最多重發3次。

（3）RF轉入接收狀態接收ACK數據包。

（4）如果連續10次數據都未發送成功，有可能當前網關掉線，嘗試重新入網，查看附近是否有網關可以接入，如果入網成功，則跳轉步驟（2），否則持續搜索入網。

3.3 溫濕度采集端軟件設計

溫濕度采集端有功耗要求，所以采用協議中的Mode A，即主動上報模式，其支持雙向通信，終端具有極低的功耗，但是雙向通信必須由終端發起，終端發送消息后，會打開一個短暫的接收窗口，網關需要在這個接收窗口內回復消息或者下發指令。通信時序如圖8所示。

3.4 溫濕度采集端軟件設計

網關端需要完成終端數據的接收，轉發云端相關業務流程，同時還需要完成不同接收信道的網關內置組網邏輯，支持終端入網功能。合理的信道分配機制使各通信子卡工作負載均衡。本系統中網關需支持終端2種工作模式：

（1）支持終端主動上報模式（Mode A），網關收到上報內容自動回復云端下行內容或ACK，確保數據通信可靠。

（2）支持終端全速運行模式（Mode C），網關可隨時給該模式下的終端實時下發數據。

網關內置4G模塊，可實現無以太網環境下的4G上網功能。網關默認開啟4G功能，在4G無法使用時，退回到以太網工作模式，嘗試聯網。和云端進行通信的主要協議是基于MQTT的通信協議[9]，用以完成業務邏輯數據的透傳。另外，為了方便調試和后期維護，網關支持Web配置及固件升級功能。網關軟件功能框圖如圖9所示。

網關主要工作步驟如下：

（1）入網接收通道監控當前是否有節點發送入網請求，如果有入網請求，則進行入網校驗，如果校驗通過，則分配相關數據通道，否則不予理會。

（2）網關根據模塊的不同模式，進行不同的處理。

（3）當收到溫濕度采集或者電量采集單元的數據包后，對數據包做相應解析，然后通過MQTT數據包重新組包，將數據包通過4G模塊轉發給云服務器。

（4）為擴展后續需求，我們也支持云服務器下發的請求，4G模塊收到數據后，將MQTT相關數據包解析后轉發給采集單元。

4 系統測試與分析

4.1 收包率測試

數據通信的可靠性十分重要，所以系統運行時需要重點測試無線收包率（丟包率[10]）。測試現場選用2個點位，采集端每隔5 s發送一個數據包，網關端做數據收包統計。測試結果見表1所列。

4.2 功耗分析

傳統的溫濕度采集器上有LCD屏和驅動IC，本項目選用的黑白段碼液晶屏和驅動IC整體功耗約為10 μA，設計8 min工作間隔。PAN3028芯片系統平均功耗見表2所列。

從上表可以看出，系統功耗范圍為0.39～1.17 μA，滿足系統功耗要求。

4.3 功能展示

系統工作需要對接數字孿生云平臺。平臺可以根據用能類型，按照照明、空調、電力等數據分類分項展示，以便用戶可以直觀查看實時/歷史空間能耗情況，并有針對性地制定節能策略，可以直觀查看年度及每個月的同比及環比能耗數據。空間能耗顯示平臺如圖10所示。

室內環境溫濕度的采集信息擬結合數字孿生技術模型如圖11所示。

5 結 語

本文簡要介紹了國產無線通信技術ChirpIoT在某電視臺的數字孿生平臺建設中的系統應用。系統主要分為組網、采集、數據傳輸和孿生平臺對接等部分。結合ChirpLAN的組網特性，成功實現物理實體到數字模型的轉換，最終實現該數字孿生監控系統的落地。

參考文獻

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