基于LoRa自组网无线传输技术实现用电信息采集系统设计

冯 驰，吴丽莎，丁 蕾，陈 山，陈智鸣

(1.国网安庆供电公司，安徽 安庆 246000； 2.安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000)

0 引言

电力是人们生活中的必需品，科技的不断进步使得人们对于电力的需求量也越来越大。为了满足人们的需求，电网规模越来越大。然而随着城市的不断扩建和高层小区的不断增多，现有的短距离无线查表设备已经无法满足远距离的查表需求[1-2]。如何设计出远距离无线传输技术的用电信息采集系统，对于社会稳定以及国家经济持续发展具有重大意义。

为了解决当今通信技术上存在的问题，文献[3]提出了一种RS485通信方式[3]，该方法虽然操作简单，便于抄表，但是需要专门布线连接，大范围布线经济需求高，且易被外界干扰，因此不太实用。文献[4]公开了一种依靠ZigBee等无线通信技术[4]，虽然能在一定程度上减少布线成本，但是其通信距离短，且功率损耗大，所以也不适合远距离的数据通信。文献[5]采用GSM、GPRS的无线传输技术[5]，虽然能远距离精准安全传输信息，但该方法需要的硬件环境很高，维护成本高，不利于大范围使用。经过总结和思索，本研究设计了一套相宜的解决方案，将如下阐明。

1 总体方案设计

据上文所述，本研究设计了基于LoRa自组网无线传输技术的用电信息采集系统方案，通过LoRa无线通信与RS485通信方式配合A/D采样技术，实现用电数据信息采集快、准确率高、远距离传输、低功耗等优点。本方案的总体结构框架如图1所示。

图1 方案总体结构图

从图1可知，方案总体结构可分为3个模块。数据采集模块主要是通过智能电能表通过A/D数据采集系统采集电流、电压、功率等各种类型的用电信息，之后传达至采集器，再到集中器。而专变用户则通过特殊采集方法传达至专变集中器。集中器和专变集中器通过LoRa无线通信和RS485通信两种不同通信方式，满足不同用户的需求，传输至以太网络中。

数据通信模块的作用是数据通信网络桥接数据采集模块和数据处理与应用模块，中起关键作用的部分是路由器和交换机[6]。路由器会将不同用电数据信号传输至交换机，再由交换机传输至数据库服务器。数据处理与应用模块主要内容是存储数据和处理数据以及应用，这也正是其他系统的作用。

2 关键技术设计

电能是国家经济发展和社会稳定的重要能源，因此用电信息远距离通信技术需要不断完善。为了解决传统通信技术和用电信息采集系统存在的缺陷，本研究采用LoRa无线传输技术和A/D数据采集技术运用至智能电能表结构中，下面来分别阐述着两种关键技术。关于智能电能表内部结构如图2所示。

图2 智能电能表内部结构图

2.1 LoRa无线传输技术的设计

在智能电网环境下，无线数据传输技术多种多样，例如GSM、GPRS、蓝牙、ZigBee等，它们各有利弊。与这些技术相比，LoRa无线传输技术具有较大的优势。关于无线通信技术比较如表1所示。

表1 无线通信技术对比表

LoRa是一种低功耗远距离通信技术，从表1可以看出，对比蓝牙和ZigBee无线传输技术LoRa传输距离非常远，功率的损耗与蓝牙无线传输技术一样低。而且LoRa 无线通信技术采用AES-128加密方式能够很好的保证网络信息传输的安全可靠。因此LoRa无线传输技术很适合运用在水表、电表和煤气表等无线集抄领域[7-10]。

2.1.1 抗干扰技术

为了解决无线传输容易被干扰的问题，本研究采用LoRa扩频技术，该技术是将频谱扩频通信技术与GFSK调制技术相结合的一种新型调制解调技术。采用特殊的扩频技术，使同一网络中的不同终端设备使用同一频率同时发送数据，只要使用不同的扩频序列，数据就不会相互干扰[11-14]。扩频通信技术的流程步骤为：首先数据信号传输至调制器，调制后的信号通过信道传达至解调器解调；最后将信息还原。在扩频通信的过程中，利用伪随机序列发生器分别连接在调制器和解调器上，对数据信号进行延展和扩频信号解扩。具体过程如图3所示。

图3 扩频通信技术流程图

关于LoRa扩频技术的传输速度可用符号速率和码片速率表示，通过两速率之比得到扩频因子[15](SF,spreading factor)，关于扩频因子的定义式为:

(1)

其中:SF为扩频因子，VC为符号速率，RC为码片速率。通过SF的大小来表示符号转换成码片的数目，可以清楚地表现误码率，分析系统的抗干扰能力。

与LoRa扩频技术传输速率有关参数还有数据信号的带宽，增大信号的带宽，数据传输速率就会提高[16]，该原理的表达式为:

(2)

其中:BW表示信号的带宽。

由于误码率这个参数能够直接影响数据传输速率，为了降低误码率，本研究通过前向纠错技术进行系统优化。前向纠错技术是通过在程序中编入一列纠错码，在出现错误码的时候自动进行改正，用来降低信号的误码率。在远距离数据传输时，距离的不断增加，传输信号的错码率也会不断增大，因此使用前向纠错技术是非常有必要的[17-19]。

2.1.2 低功耗技术

经过以上两种技术解决了远距离数据传输容易被干扰的问题，接下来就是低功耗的技术设计。关于低功耗技术在无线传输技术这一块非常重要，电源的供电决定着智能电能表中其他系统的健康运行，通信系统的低功耗决定着整个智能电能表的使用时间和健康质量[20]。关于LoRa无线通信模块的低功耗技术主要取决于主控芯片和射频芯片。

1)主控芯片：主控芯片占能耗的一部分。当系统运行时，尝试关闭未使用的外设和插针，如下拉或下拉。当没有数据信号需要接收时，可以把主控芯片切换到相对低功耗的模式。此外，还可以通过软件进行优化。

2)射频芯片：射频芯片占能耗的另外一部分。通常情况下，传输信号过程所消耗的能量要高于接收信号过程。但是，当数据不被传输时，会造成能耗和浪费。因此，在功率优化中，一方面可以通过增加分组间隔和降低传输速率来降低功耗。另一方面，可以通过软件编程将射频模块设置为相应的低功耗模式，以节省能耗。

2.2 A/D数据采集技术的设计

在信息大数据环境下，文献[21]提出了一种WEB自动采集程序的采集方法[21]，这种方法虽然采集范围广，且用时很快，但是依靠系统自动筛选，准确率很低。为了解决这种问题，本研究选用基于A/D转换技术的数据采集系统。

A/D转换技术的实现取决于A/D转换器的性能，本研究将采用逐次比较式A/D转换器中的ADC0809芯片。ADC0809芯片是8位采样频率，通过地址码选择其中一种信道进行A/D转换。关于其管脚示意图如图4所示。

如图4所示，ADC0809芯片的两旁一共有28条管脚。其中，IN0～IN7是8个信号输入端；ADDA、ADDB和ADDC是3个不同的地址码输入端；Start是数据转换启动端；EOC是数据转换结束端；ALE是地址锁存允许信号端；D7～D0是8路模拟量输出端；OE是数据输出允许信号；CLK是时钟信号；Vcc是+5 V的电源；ref(+)与ref(-)是基准电压；GND是接地；关于ADC0809芯片的内部结构如图5所示。

图5 ADC0809芯片的内部结构图

如图5所示，ADC0809芯片具有8个信号通道，在经过地址将信号译码后通过比较器到A/D转换器进行转换，在转换情况状态信号处于上升沿时，就必须使输出信号变为高电平，控制器接收start信号就会使三态锁存缓冲器处于开始状态。关于具体的ADC0809芯片工作信号时间图如图6所示。

图6 ADC0809芯片工作信号时间图

从图6中可知，ADC0809芯片信号输入过程中start信号与ALE允许输入信号同时进行，此为信号通道选择过程，关于A/D转换数据的传输，可以使用三种方式[22-23]。

1)定时传送方式：通过设计一个延时子程序。一旦延迟时间到了，转换必须已经完成，然后才能进行数据传输工作。

2)查询方式：通过在A/D转换芯片中设计一个状态信号指示器，可以查询转换的进程。比如我们可以通过查询来测试EOC的情况，这样做是为了确认转换是否完成，方便立刻进行数据传输工作。

3)中断方式：通过将表明转换结束的状态信号(EOC)改造为中断请求信号，可以在中断情况下立即进行数据传输工作。

不管上述方法如何，一旦确定转换完成，就可以通过指令来传输数据。首先，当地址被发送并且信号有效时，OE信号有效，并且转换后的数据经过CPU到达LoRa通信模块。

3 实验与分析

为了证明本研究所采用的方案可靠实用，下面对LoRa无线通信技术和A/D数据采集系统这两种技术分别进行实验测试。

3.1 LoRa无线传输技术仿真设计

为了验证LoRa无线传输技术能够远距离传输且功率损耗低，针对实际情况本研究设计出LoRa无线通信模块结构如图7所示。

图7 LoRa无线通信模块结构图

如图7所示，当A/D采集系统采集到用电数据时，系统由接受数据模式切换到发送数据模式，将用电数据进行编码，经过数据传输线到达天线进行空中发射。若有信号输入，发射完成立刻转换为接收数据模式；若无信号输入，则进入休眠模式。

在有了LoRa无线通信模块硬件和软件的基础后，下面将进行对远距离抗干扰技术和低功耗技术进行仿真测试。

3.1.1 抗干扰技术仿真测试

在远距离通信过程中，周围环境的干扰会严重影响通信效果，因此本次实例测试尽量选取干燥空旷的环境。本次测试采取不同通信距离，在相同传输速率和带宽的条件下，对SF8和SF12两种不同的扩频因子对通信性能进行10次测试。测试结果如表2所示。

由表2可见，在4 500 m范围内，本研究所采用的基于LoRa无线通信技术传输无丢包。在8千米范围内，高也只有9%的丢包率，完全证实了LoRa能够适用于通信8 km距离。此外，在8 km范围内信号强度的值可达-148 dBm，验证了本方案设计LoRa通信性能具有较高的抗干扰能力。

表2 LoRa通信性能测试结果

3.1.2 低功耗技术仿真测试

由上述2.1.2部分得知，LoRa无线通信模块的低功耗技术主要取决于主控芯片和射频芯片。为了设计出低功耗的LoRa通信模块，本研究设计出休眠模式、接受数据模式和发送数据模式3种LoRa工作模式，通过用数字万能表来测试对数据包传输不同周期的损耗情况，测试结果如表3所示。

表3 LoRa通信模块损耗测试结果

如表3所示，当传输数据包周期为1分钟之内，LoRa通信模块功耗较高但均可以使用很长时间。当传输数据包周期为1小时和1天时，LoRa通信模块功耗非常低，可以用大约5年和10年的时间。通过实验结果证明了本方案设计的LoRa通信性能拥有低功耗的优点。

3.2 A/D数据采集系统仿真测试

为了实现基于ADC0809芯片的数据采集系统能够运行，首先需要相关的软件编程语言。关于数据采集程序流程如图8所示。

图8 数据采集程序流程图

在A/D数据采集系统程序编写完成之后，为了验证本研究所采用的A/D采样技术比文献[21]中的WEB自动采集程序准确率要高，下面将进行仿真对比。本研究分别A/D采样技术和WEB自动采集程序对某城市高层小区用户的用电信息进行采集，其中数据量最大为2TB，通过对比采集数据的准确率，其结果如图9所示。

图9 不同采集方法准确率对比图

如图9所示，在数据量0～0.5 TB范围内，两种采集方法均能100%准确采集。在数据量0.5～1.0 TB范围内，WEB自动采集程序刚开始准确率依然是100%，然而随着数据量的增大，两种方法准确率均处于下降趋势，在数据量达到1.0 TB时两者持平。在数据量1.0～2.0 TB范围内，A/D数据采集系统准确率均高于WEB自动采集程序，且随着数据量的增加，A/D数据采集的优势也越来越明显，最后，当数据量为2.0 TB时，其准确率比WEB自动采集程序高出3%左右。通过实验结果表示本研究设计的A/D采样技术具有精度高的优点。

4 结束语

本研究对现有的智能电能表用电信息采集系统中通信模块进行了改良和革新，设计了一套新型方案，该方案采用LoRa无线通信技术，替代传统的无线通信方式，使其在数据能够远距离传输且具有丢包率低、防干扰能力强和功耗低等优点，本研究还采用基于ADC0809芯片的A/D转换器提高用电信息采集的准确率问题。本方案设计符合国家提出的智能电网的要求，也切合智能家居物联的趋势，能够很好满足经济实惠远距离传输信息的需求。依托 LoRa无线通信技术，本研究在以后也可以考虑针对此通信方式的组网算法以及对行业应用的研究。