关键词: LoRa；物联 ；低功耗；远距离；LoRaWAN
0引言
低功耗广域 络技术（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一种物联 无线接入新技术，具有低功耗、 络扩展性强、通信距离远等优点。LoRa（Long Range）作为一种非授权频谱的LPWAN无线通信技术，以广覆盖、低功耗等特点受到了广泛关注。LoRa是一种由LoRa联盟推出的远距离通信系统，主要包含物理层和MAC层（即LoRaWAN），如图1所示。
图2 LoRaWAN 络模型
在系统正常运行的状态下， 关使用市电供电；由于节点所处的位置不***，环境复杂多变，无法保证使用市电进行供电，因此只能使用电池供电。为了维持节点的长时间稳定工作，就需要在尽可能长的时间内处于低功耗模式。节点在低功耗模式下只能被动接收数据，不能主动发送数据。一旦节点被唤醒，处于正常的工作状态，就可以接收和发送数据。服务器的主要功能是给 关下发控制命令， 关的主要功能是唤醒节点并且转发服务器下发的控制命令，并上传节点的数据给服务器。当集中器给某终端设备发送数据时，首先需要将处于睡眠状态的终端设备唤醒，再进行通信。终端表设备接收到唤醒帧后，通过判断唤醒帧中的终端地址是否与该终端设备的地址相同，来决定此终端表设备是否准备开启接收模式。如果唤醒帧中的终端地址与该终端表地址不相同，则丢弃此唤醒帧，终端表设备继续处于低功耗模式，开启周期性检测信道空闲功能。如果相同，终端表设备会根据唤醒帧中的时间标签在低功耗模式下进行一段时间的延时，当延时时间结束，立刻开启接收模式。
2硬件设计
硬件包含 关与节点，采用意法半导体公司基于Cortex M3内核的32位高性能超低功耗微控制器STM32F103作为 关，该芯片工作频率可达72MHz，具有512KB的闪存以及高速SRAM，性能强劲，实时性好。同时该芯片有睡眠模式、停止模式和待机模式3种低功耗工作模式，以及创新型自主动态电压调节功能，方便了系统低功耗设计，可以满足无线抄表的各种需求。 关需要搭载LoRa芯片以及与服务器通信的通信模块。MCU控制单元是智能水表的控制器，起着决定性的作用。节点采用低功耗MCU与传感器、控制器相连，单个节点只搭载单个传感器，电池采用高容量低功率类型的电池。设计采用Semtech公司推出的低功耗半双工高灵敏度的SX1278收发器作为节点。SX1278射频模块是一种高度集成低功耗半双工小功率无线数据传输模块，采用LoRa扩频调制解调技术，其传输距离远远超过使用FSK等调制解调技术，能够降低 络部署成本，易于管理和监控。具有传输距离远、信号穿透性强、数据接收和发送稳定等特点。同时，SX1278软件配置具有很大的灵活性，用户可通过程序决定扩频调制带宽(BW)、纠错率(CR)和扩频因子(SF)。
图3 硬件总体框图
3软件设计
无线通信系统在正常运行时，首先 关和节点进入到硬件初始化阶段，节点完成硬件初始化后进入低功耗模式，周期性开启信道空闲检测。此时检测信道是否空闲，如果信道空闲，则此节点继续处于低功耗模式，周期性开启信道空闲检测。在某一时刻由服务器向 关的GPRS模块下发抄表命令， 关接收到抄表命令后进行解析，通过解析后的命令内容生成用来唤醒特定节点的唤醒帧。 关会通过无线设备发送持续一定时间长度的唤醒帧，在此时间段内，节点将配置成无线接收模式，接收 关发送的唤醒帧。唤醒帧中包含节点地址和时间标签，判断唤醒帧中设备地址是否和此设备地址相同，如果不相同则丢弃此唤醒帧；如果相同，则提取此唤醒帧中的时间标签，通过时间标签计算出将此节点切换为低功耗模式的延时时长，进行延时，一旦延时时长结束，立刻将此节点配置成无线接收模式，直***收到 关发送的命令。当接收到 关发送的命令后，解析抄表命令，获取此终端节点的数据，将此数据发送给 关，完成通信过程。当节点将数据发送给 关后，将此节点配置成低功耗模式，周期性开启信道空闲检测，整个无线通信系统运行的流程如图4所示。
图4 低功耗无线抄表方法流程图
如图5所示，节点和 关在t0时刻进行硬件初始化，节点在t1、t2、t4、t9时刻开启信道空闲检测。而节点的无线模块会通过RTC时钟定时，周期性开启信道空闲检测，因此图中t1-t0=t2-t1=t4-t2=t9-t8。在t0到t1、t1到t2、t2到t4、以及t8到t9的时间段内，终端设备的无线模块都会处于睡眠模式。
图5 低功耗无线抄表方法时序图
在t3时刻时， 关接收到服务器发送过来的抄表命令，同时生成唤醒特定节点的唤醒帧，其中包含节点地址和时间标签。t3时刻 关开始发送唤醒帧，t6时刻完成唤醒帧的发送。节点在t4时刻处于信道空闲检测模式，因此在t4时刻特定节点被唤醒，此时该节点处于无线接收模式，用来接收后续 关发送的命令。 关发送的抄表命令是在t7时刻，为了降低功耗在t4到t5的时间区间内使节点处于完全低功耗模式（MCU 进入Halt模式，无线模块进入睡眠模式）来降低功耗。若唤醒帧中的时间标签值为TL，时间标签值允许的个数为TLN，t4到t5的时间区间长度为DST：
t5时刻，节点开启无线接收模式，t7时刻节点接收到 关发送的抄表命令，t8时刻节点将数据发送给 关，***完成 关到节点的通信过程，通信完成后节点再次进入到低功耗模式，并周期性开启信道空闲检测。***完成了一次完整的通信过程。
4安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台
4.1 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。
4.2 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，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。
4.3 产品选型
声明：本站部分文章内容及图片转载于互联 、内容不代表本站观点，如有内容涉及侵权，请您立即联系本站处理，非常感谢！