基于LORA的物联网燃气表抄表系统设计

杨中翔 赵捷丰 郑培强

摘要

针对GPRS在无线抄表网络中功耗大、网络结构复杂的缺点，提出了一种基于LoRa的物联网智能抄表系统的设计方案该方案以LoRa调制技术为基础，采用星型网络进行自组网，从而实现了通信距离长且在各种复杂网络环境下都能够正常工作的智能抄表系统;本文主要介绍了整个系统的网络拓扑结构、每个LoRa表端节点结构的设计方案以及应用层通信协议的设计方案.最后对系统进行了测试分析;测试结果显示，该方案具有通信距离长、功耗低、实时性好的特点，有着广泛的应用前景。

【关键词】智能燃气表 物联网 燃气表 LoRa通讯 抄表系统

随着物联网应用的不断发展，越来越多的燃气表接入了网络，并逐渐在大数据采集、大数据分析方面发挥着重要的作用。低功耗广域物联网（LPWAN）就是在此大背景下出现的产物。广域网通信技术按频谱是否授权可以分成以下两种类型：

（1）非授权，如Lora和Sigfox等;

（2）授权，3GPP制订的蜂窝通信技术，如2G、3G、4G，以及基于4G演进而来的长期演进（LTE）CAT-NB1，也称为窄带物联网（NB-IoT）技术。

低功耗广域物联网（LPWAN）是在物联网应用中为M2M通信场景优化的一种有效的解决方案。LoRa作为LPWAN通信技术中的一员，是由全球知名模拟混合信号与半导体供应商Semtech公司发布的一种专用于无线电调制解调的技术，融合了数字扩频技术、数字处理技术和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。由于LoRa技术融合了多项先进技术，综合了多种技术的优越性，其最大的特点在于可以在同等功耗下取得更远的通信距离，无需中继器，功耗降低，抗干扰性和安全性也得以提高。

虽然GPRS有着依赖现有运营商不需要组网的优点，但是GSM网络的清退一直是用户需要面对的一个问题，而且GSM网络的频谱利用率并不高，还占用着宝贵的900M和1800M频段。并且GPRS的功耗远大于现在的LoRa。本文将LoRa通信技术应用到燃气表无线抄表中，实现燃气表的远程抄取、故障通知和远程监控等一系列功能。解决了人工抄表耗费大量的人力、财力、也物力。也解决了人工抄表所带来的误抄、漏抄的情况。而LoRa智能燃气表能实现自动抄表、自动续费，燃气公司可以远程管理，而不用派遣员工去操作，极大的节省了人工成本。因此，将LoRa应用于现有的智能燃气表，有着重要现实意义。

1 系统整体设计

LoRa的物理层和MAC层设计充分体现其对物联网业务需求的考虑。LoRa物理层利用扩频技术可以提高接收机灵敏度，同时终端可以工作于不同的工作模式以满足不同应用的省电需求。

基于LoRa的智能燃气表系统如图1所示，它包括了燃气表（用户）、中转站与燃气表管理平台（燃气公司）。燃气表将采集到的流量数据通过LoRa模块一对一发送到集中器上，集中器汇总所有收到的燃气计量数据，并将数据通过GPRS基站中转发送至服务器端。

相比于网状网络，LORaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，消除了同步开销和跳数，具有结构简单和低功率等特点，因此在小区燃气抄表中采用星型、链型网络，就可以满足实际需求。理论上，LoRa网络中，一个父节点可以容纳最多 300K个终端节点。但是在实际使用中，较多的终端节点会使协调器负担过重，以至于导致网络瘫痪或误码率增加。因此，对通信通道进行设置，将一个区域的LoRa网路分成若干个网络，从而降低通信链路的开销。

2 系统平台设计

2.1 系统硬件设计

主芯片作为智能燃气表的最为核心的部分，负责控制整个无线抄表系统数据的采集、计算、储存和传输，是整个系统的关键所在。本系统采用了STM32L151C8T6单片机。它基于ARM CortexM3内核，同时又具有超低功耗的单片机，该单片机具有5档低功耗模式可供选择，从而适用于各种低功耗场景。相比于同是ST旗下的STM8L系列单片机，STM32L1系列单片机提供了更宽的动态电压输入范围、超低功耗的时钟晶振、比较器、DAC和硬件加密算法。硬件设计中LoRa通讯部分采用了LSD4RF-2F717M91这款模块，该模块支持透传功能，同时具有高性能、高抗干扰、高可靠性的优点。

2.1.1 燃气表节点设计

符合国标规定的燃气表，应具有气量计量、数据存储、信息显示等功能。本设计燃气表节点硬件结构如图2所示。燃气表节点主要用于采集用户的燃气量使用信息，并负责对用户信息的初步打包。另一方面响应集中器节点下发的指令，并将采集的数据上传至集中器，从而实现燃气表的氣量数据采集以及远程控制功能。

2.1.2 集中器节点设计

集中器节点负责表端指令的下发、表端数据的接收以及表端数据的上传，同时还具有表端信息监控以及故障告警等功能，其硬件结构图如图3所示。集中器节点通过LoRa透传的方式接收一片区域内所有燃气表端上传过来的信息，并通过GPRS的方式把数据传输至燃气表管理平台数据中心;同时从数据中心获取对表端的控制信息，并在下一个通讯周期中通过LoRa透传的方式下发到燃气表采集节点中。

2.2 系统软件设计

本系统采用FreeRTOS实时操作系统，它提供了抢占式、协作式和混合配置选项，从而保证了多任务在FreeRTOS实时操作系统能够正确地被执行。系统首先调用HardwareinitU对系统硬件进行初始化，然后使用xTaskCreate（）创建定时上传、上发等任务。最后通过vTaskStartScheduler（）启动调度器，由FreeRTOS操作系统开始接管MCLJ，并按照预定的任务开始运行。燃气表节点采用事件触发，当有事件到来的时候，才唤醒MCU，使用这种控制方式能有效的降低系统功耗。

2.2.1 通信协议设计

本系统对应用层协议进行了自定义协议设计，对燃气收发数据进行打包与解包，从而实现数据的透明传输。数据传输方式采用数据帧模式，并且在数据传输中使用CRC16校验算法，确保传输的信息正确无误。在整个抄表流程中，每个燃气表节点划分了固定的上传时间片，集中器在固定的时间片上对燃气表节点下发上传指令，燃气表节点收到集中器下发的信息后，将数据上传给集中器节点。之后集中器节点将数据打包上传至数据中心。

本系统的无线抄表方式主要有三种，分别是定时抄表、单播抄表、广播抄表。本系统抄表数据报文长度为定长35Byte，具体为设备号（2Byte）+表号（7Byte）+帧命令（2Byte）+载荷（24Byte）。其中，设备号为表具类型标识代码，表号为表具出场唯一标识码。帧命令为燃气表节点与集中器内协商的指令代码，不同的帧命令可以实现不同的功能请求，如0x0201为显示当前累计气量，0x0202为上月总用气量等。在进行首次传输之前，数据中心需要对集中器下发注册指令，注册该集中器所管理的燃气表节点表具信息。当注册指令下发完成之后，燃气表节点就可以通过LoRa透传与集中器进行通信了。部分帧命令及含义如表1所示。

2.2.2 燃气表节点软件设计

燃气表节点主要完成两个功能：一是完成燃气表的计量和存储任务，二是通过LoRa模块和集中器模块发生数据交换，从而完成物联网部分的功能。当燃气表节点收到集中器节点下发的命令时，数据首先进行CRC校验确保数据准确无误。确保无误之后，再根据命令帧中所请求的内容对燃气表节点进行相应的操作，燃气表节点软件工作流程如图4所示。

2.2.3 集中器节点软件设计

集中器节点主要承担了一个中转站的任务，即一边既需要通过LoRa透传与燃气表节点通讯，另一边也需要通过GPRS或运营商网络与数据中心进行通讯。其节点流程图如图5所示。当集中器收到数据中心下发的指令或燃气表节点上报的数据时，首先先对数据进行CRC校验，校验通过后再判断指令的来源。如果是来自燃气表节点，那么根据帧命令储存数据并上传至数据中心。如果是来自数据中心的命令，则根据命令的操作对象来确定具体的操作流程。

3 系统测试与分析

通过搭建测试环境，验证该抄表系统的实际运行效果。测试网络包括1个集中器节点、2个燃气表节点，集中器节点通过网络线连接交换机从而与PC机相联，利用串口调试工具中的TCPClient功能建立TCP连接，从而相互发送数据。本次测试采用的测试参数为：LoRa射频中心频率470MHz，发射功率20dBm、SF-12、CR=4/6。

测试中，燃气表节点发送虚拟采集数据给集中器节点，通过集中器收到的数据包个数来判断数据的丢包率。本次实验选取了两种典型情况，一是在宽阔马路的人行道上模拟空旷情况下的数据传输成功率。一种是通过在房间内设置格挡来模拟在有格挡物条件下的数据传输成功率，格挡物采用190mm厚的空心砖墙。每次测试都以传输100个数据包为基准。测试结果如表2、表3所示。

由表2、表3可知，随着通讯距离的增加，数据丢包率逐渐上升。从在人行道上的测试结果来看，当通讯距离小于2.16km时，丢包率小于13%，在可接受范围内;从房屋内的格挡物测试结果来看，在格挡面数小于7面的情况下，丢包率能满足使用要求。

测试结果表明，该系统具有通信距离长、穿墙能力强、以及具有较高的系统稳定性。

4 结论

本文将LoRa技术应用于物联网无线智能抄表系统中。通过长距离、低功耗的LoRa无线网络与GPRS网关配合实现数据中心与各燃气表之间的通讯，从而实现表的实时管理和监控。

LoRa技术集成了传输距离远、误码率低、抗干扰等诸多优点，适用于房屋密集、通信环境比较复杂的传输场合。从实验结果可知，系统工作状态良好、通讯距离满足使用要求、同时组网便捷可靠。能很好的满足物联网抄表系统的要求，具有广泛的应用前景。

参考文献

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