基于LoRaWAN的无线低功耗抄表方法设计

雷婧 李红信

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超高功耗的难题。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，最后得出结论，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

中图分类号：TN914.52 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0036-03

Abstract： LoRa represented in low-power， long-distance network technologies appears to effectively solve the complex networks and ultra-high-power networking problems. In order to reduce the power consumption and of the wireless meter reading system based on LoRaWAN ，at the same time for the Zigbee and infrared wireless technology in the meter reading scheme defects of short communication distance and weak anti-interference ability.Through the research of LoRa wireless standard protocol， combining the MCU system and LoRa modulation technology， an intelligent meter reading system based on LoRa wireless communication technology is designed. First introduces the hardware structure of the wireless meter reading system and the function of function module. Secondly， communication protocol and node software design process are described. Finally， the results show that the system can reduce the power consumption.

Key words： LoRa； IoT； low power； long range；LoRaWAN

1 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[1]。

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。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[2]。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[3]。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[4]。

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，所以在运行过程中必须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，是降低平均功耗最有效的方法。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。

2 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）。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，終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。