基于LoRaWAN的无线预付费系统方法设计与应用

摘要：以LoRa为代表的低功耗、远距离网络技术的出现，有效解决了物联网复杂组网和高功耗的难题。为进一步降低基于LoRaWAN的无线抄表系统的功耗，同时针对ZigBee、红外等无线技术在抄表方案中存在通信距离短、抗干扰能力弱的缺陷，通过对LoRaWAN无线标准协议的研究，将MCU系统和LoRa技术相结合，设计了一种基于LoRaWAN无线通讯技术的智能抄表系统。首先介绍无线抄表系统的硬件组成和功能模块的作用，其次介绍节点软件设计过程，得出结论，该系统实现了降低功耗的作用。
关键词: LoRa；物联网；低功耗；远距离；LoRaWAN
 
0引言
       低功耗广域网络技术（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一种物联网无线接入新技术，具有低功耗、网络扩展性强、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1 LoRa层结构
       LoRa物理层采用线性调频技术（CSS，Chirp Spread Spectrum），适用于远距离、低功耗、低吞吐量的通信。LoRaWAN由LoRa联盟发布，是一种基于开源的电信级MAC层协议。LoRa是一项私有技术，工作在未授权频段，使用免费的ISM频谱，具体频段及规范因地区而异。LoRa作为非授权频谱LPWAN技术典型代表，有广泛的应用场景，如太阳能路灯照明管理系统、远距离无线抄表系统等。随着智慧城市的发展，远距离无线抄表技术将在智能抄表应用中起到非常重要的作用。终端仪表由于无法保证持续的外部电能供应，只能依靠电池供能，所以在运行过程中尽可能降低平均功耗，才可以保证不间断的长期工作。显然，只降低发射机的发射功率，或者只降低接收机的功耗电流是不现实的。这种方法的效果不但不明显，还会带来通信质量下降的恶劣后果。在现有的无线抄表系统中，当通信设备不工作于发射或接收模式时，使其进入休眠状态，是降低平均功耗有效的方法。当集中器或网关需要和某个终端仪表通信时，处于休眠状态的终端设备将被唤醒，转换成发射或接收模式，实现交换数据的功能。
 
1 总体设计
       LoRaWAN主要包含三个部分：节点、网关、服务器。节点负责数据的采集，将采集的数据打包上传给网关。网关负责数据包的转发，包括将节点上传的数据转发给服务器和将服务器的下行命令转发给节点。服务器负责数据解析和下发控制命令。整体结构如图2所示：本文设计的低功耗无线通信系统包含一个命令下发设备（服务器）、一个命令数据中转设备（网关）和若干个终端设备（节点）。

图2 LoRaWAN网络模型
 
       在系统正常运行的状态下，网关使用市电供电；由于节点所处的位置不唯一，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网关下发控制命令，网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
       硬件包含网关与节点，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作为网关，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。网关需要搭载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，能够降低网络部署成本，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，首先网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网关的GPRS模块下发抄表命令，网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。网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，接收网关发送的唤醒帧。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，直至接收到网关发送的命令。当接收到网关发送的命令后，解析抄表命令，获取此终端节点的数据，将此数据发送给网关，完成通信过程。当节点将数据发送给网关后，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，节点和网关在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，网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时刻网关开始发送唤醒帧，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，用来接收后续网关发送的命令。网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时刻节点接收到网关发送的抄表命令，t8时刻节点将数据发送给网关，至此完成网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。至此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，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，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-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
       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，面临着数据公网传输，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：抄表信息通过网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报表，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。

       在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。

       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


5结束语
       在无线通信系统的整个通信过程中，节点的主要耗能阶段是开启接收模式和开启发送模式这两个过程，经过本文的设计和优化，大大缩短了这两个过程的持续时间。因此通过这种抄表方法可以降低通信系统的功耗，增加终端节点的电池使用寿命。
 
【参考文献】
【1】雷婧, 李红信.基于LoRaWAN的无线低功耗抄表方法设计
【2】王阳,温向明,路兆铭.新兴物联网技术—LoRa[J].信息通信技术,2017,2:55-59.
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06
 
作者简介：陈芳芳，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。