基于LoRa的远程预付费系统的设计与选型

图1 系统设计框图
基于LoRa的远程抄表系统采用的 络为主从式，由路由模块集中管理中继器、电能表。在这里把 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，中继***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。LoRa是低功耗广域 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-148dBm的高灵敏度。SX1278部分关键性能数据如表1所示。
表1 SX1278部分关键性能数据

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。
 
图2 SX1278芯片及外围电路图
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 络，用于对天线的匹配，具体电路图如图3所示。

图3 天线端口电路图
 
3路径探测流程
路径探测是指路由模块、中继器、表端的 络构建过程， 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；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，在一个有效的时隙周期内只对同一 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

图4路径探测请求流程框图
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

图6 中继路径探测请求帧处理流程图
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：
WT=CS×BS+ST(2)
若接收到的为中继器发出的路径探测命令，则：
WT=CS×BS+ST+(S-RS)×BS(3)
发送路径探测命令后会有一个回复也就是路径探测响应帧，这就涉及路径探测响应帧等待时间，计算如下：
RW=(DM-DC+1)×S×BS+3×IT(4)
其中，IT =1s。
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。

图7 发起路径探测响应帧流程图
在图7中若查询到记录有路径探测请求帧，则选择记录的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 文，中继级数为上行 文的中继列表数，当前中继索引等于中继大级数。
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 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***中继地址，填充下行 文信息，转发给下***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。

图8 抄表流程设计框图
 
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 测试。表2是窄带载波和LoRa 两种不同组 机制在同一组 环境下的组 时间和中继深度。
表2 组内对比（取均值）

表3是基于LoRa的路径探测方法在园区内的组 结果，
表3 LoRa园区组内测试结果（取均值）

可以看出 络的中继深度为3级，点对点直抄回的电表数量为342个，***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 ， 络的复杂度也低于窄带载波，组 范围广，组 稳定，抄表率也高。
 
7安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台
7.1 系统方案
系统为B/S架构，主要包括前端管理 站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。

 
 
7.2 系统功能
AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台- 关-预付费电能表组成，通过通信 络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信 警等功能。
本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公 传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。

远程集中抄表：抄表信息通过 关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。

水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。

远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数防止作弊，方便快捷。

能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理 表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。

短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。
 

远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。
 
 
7.3 产品选型