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低功耗的無線抄表系統的實現與應用

更新時間：2021-08-12

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徐秋霞
安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對現有無線抄表系統存在功耗高、數據傳輸距離短和效率低的缺陷，設計了一種新型的無線抄表系統。系統采用分層ad hoc多跳網絡結構，由普通節點、路由節點以及匯聚節點組成，以STM8L系列低功耗微處理器為核心，采用具有Lora模式的SX1278為通信芯片，自主研發了通信協議。節點在休眠時僅需要幾μA的功耗級別，在喚醒和通信時功耗為十幾m*別，實現了低功耗設計。另外，對系統在單抄、簇抄以及定時抄表的方式下進行了測試，測試結果表明，系統具備了自動組網、通信距離遠、功耗低且效率高等特點。
關鍵詞:遠程抄表；LoRa；低功耗；STM8L；自主協議

0引言
隨著城市化和村鎮建設的不斷發展，抄表計量日趨增加，人工抄表既損耗了大量的人力、物力和財力，也容易發生漏抄和錯抄的情況，傳統的人工抄表方式已不能滿足當今社會的需求。遠程抄表不需要工作人員到現場就可以做到數據的抄取以及表端狀態的實時監測，且相較于有線抄表需鋪設大量長距離線路、維護成本高等缺點，具有非常明顯的優勢，這將會大大提高工作效率和資源利用，因此具備廣泛的應用前景。目前常見的無線抄表方案有:基于 Zigbee的無線抄表方案和基于LoRa自組網的抄表方案。Zigbee技術具有高可靠性、低成本、低功耗以及安全性好等特點，因此被廣泛應用在無線通信領域。由于Zigbee的通信頻率高，傳輸過程中信號衰減得較快，同一頻段下還有WiFi和藍牙信號的使用，因此通信距離較短，且Zigbee組網復雜，網絡很容易產生同頻干擾進而影響傳輸，穿透障礙物的能力也差。基于LoRa自組網的抄表方案一般采用星型網絡結構，與網狀結構相比，不需要采用復雜的多層網絡結構因而結構比較簡單。此方案雖然彌補了Zigbee抄表的缺點，但由于其網絡結構導致其工作效率低。為此，本文提出了一種基于LoRa的新型遠程抄表方案，該抄表系統工作效率高、傳輸距離遠、功耗低，通過中繼路由將無線信號中繼轉發，建立了可靠的傳輸路徑，能夠很好地滿足無線抄表系統的需求。

1 系統總體設計
基于LoRa的遠程抄表系統由普通節點、路由節點和匯聚節點組成。普通節點實現對表端的管理以及數據的抄讀，普通節點相互之間不能通信；路由節點只負責對周圍普通節點的管理，路由節點不負責對表端數據的直接讀取;匯聚節點負責對所有路由節點直接管理，網絡數據的出口在匯聚節點。所有普通節點抄得的數據通過路由節點上傳至匯聚節點，匯聚節點可與上位機連接以實現整個系統的管理。對于距離匯聚節點較近的路由節點，路由節點
可與匯聚節點直接通信，對于距離較遠且無法與匯聚節點直接通信的路由節點，路由節點與匯聚節點之間的通信可以通過近端區的路由節點中轉完成通信。網絡拓撲圖如圖1所示。

圖 1 系統網絡的拓撲圖

2系統硬件設計
2.1主控芯片
本文抄表方案采用的微控制器是由意法半導體公司采用超低漏電工藝和優化的體系結構研發的超低功耗8位微控制器STM8L151C6。高工作頻率為16MHz，擁有64 KB的大容量閃存、2KB的E2PROM以及4KB高速RAM，能滿足無線集抄系統對性能和功耗的要求。抄表系統的MCU外圍電路圖如圖2所示。

圖2 MCU芯片及外圍電路

2.2 LoRa 通信芯片
SX1278芯片是SEMTECH公司設計開發的低功耗長序列收發芯片，工作頻段為137～525 MHz。它利用了先進的擴頻調制技術和編解碼方案，增加了鏈路預算，具有更好的抗干擾性，同時對多路徑衰落和多普勒頻移具有更高的穩定性。大接收靈敏度為－148dBm，大發送功率為+20dBm，總的鏈路預算是168dB。LoRa在大發射功率及開闊無遮擋的地理環境條件下，LoRa 芯片的遠通信距離為2～5km，即使是在地形復雜、需要多次繞射的居民區，也可以達到百米，正是因為LoRa的各種優勢，才被廣泛應用在無線抄表、自動化、農牧業及工業檢測等領域。由于SX1278是半雙工收發器，因此收發數據時要進行模式切換，設計中使用PE4259切換發送和接收電路，Ctrl2用于控制天線接通發射和接收電路。通信開關切換電路與SX1278外圍電路如圖3和圖4所示。

圖3 通信收發切換電路

圖4 SX1278 芯片與外圍電路

2.3 模塊硬件設計
除了采用的晶振不同，系統中各種節點的硬件設計基本相同，主要通過軟件將普通節點、路由節點和匯聚節點三者區分開，在抄表系統運行過程中，表端與普通節點通過UART相連接，完成數據的采集以及指令的下發，實現對整個系統的控制。采用符合行業標準的鋰電池給普通節點和路由節點供電。

2.4 低功耗硬件設計
由于系統的主控芯片均采用了STM8L系列，其功耗為同類中低。該芯片共用5種工作模式:等待模式、低功耗運行模式、低功耗等待模式、活動暫停模式和暫停模式。系統或電源復位后，微控制器處于運行模式。器件支持5種低功耗模式的切換，以實現低功耗之間的折衷消耗。電路板上設計了2種晶振，采用了低速振蕩器(LSI或LSE)時，閃存和數據EEPROM 可及時通過電壓調節器配置為關閉狀態。系統的節點休眠時功耗低在4μA左右；在喚醒后接收功耗為16mA左右；數據上傳時功耗約為100mA。

3系統軟件設計
3.1通信協議設計
系統采用自主研發的通信協議SD1.0，普通節點采用休眠—喚醒—休眠的循環工作模式，有效降低了傳輸過程中的功耗。數據傳輸方式采用數據幀模式，傳輸序列為二進制字節流。為了減少無線傳輸所受到的干擾，保證數據的正確性，數據傳輸中對數據進行循環冗余校驗CRC校驗。在招測過程中，匯聚節點向路由節點發出招測指令，近端區路由節點下發至各自管理的普通節點以及遠端區的路由節點。普通節點將數據集中返回上級路由節點，再集中傳至匯聚節點。抄表系統的方式可分為簇抄、單抄和全抄，簇抄是指抄取某一個路由節點下所有普通節點的數據，其數據幀類型值為0x01；單抄是指抄取某一路由節點下某個或者某幾個普通節點的數據，其數據幀類型值為0x02；全抄則是抄取所有普通節點的數據，其數據幀類型值為0x05。系統實現了一對多的映射關系，為網絡遠程管理提供了便利。另外，抄表報文格式統一，但長度不統一，不同抄表方式的長度可以不一樣。例如，簇抄時，除了格式中的幀頭、幀尾、類型位、數據位和校驗位以外，還需說明所抄的路由ID；而單抄時，需要另說明所抄路由ID以及普通模塊的TNI號。

3.2 普通節點軟件設計
普通節點通過UART與表端相連，獲取數據，再由LoRa網絡上傳數據和接收指令。模塊上電后，首先搜尋附近的信號，普通節點在規定時隙內收到來自路由節點的同步廣播，向路由節點回送LOGIN_ACK并等待ACK回應，路由節點收到后回應ACK并將分配好的TNI發送給普通節點，普通節點實現登錄網絡完成。登陸后普通節點會在每個周期接收路由節點轉發的同步廣播，該廣播從匯聚節點發起。如果若干周期后都沒有接收到路由節點轉發的同步廣播，就會退回初始狀態，重新搜索路由節點。如果沒有接收到招測幀，則發送時延后4個時隙睡眠。普通節點工作流程如圖5所示。

圖 5 普通節點工作流程

3.3路由模塊軟件設計
路由節點的登錄有一定的優先級，如果接收的同步廣播幀是來自匯聚節點，立刻將該路由節點置為一跳路由；如果接收到的廣播幀是來自其他路由節點的廣播幀，則暫時保存，繼續接收其他廣播幀;如果接收到的所有廣播幀里沒有匯聚節點的廣播幀，則選取跳數小的路由模塊為父節點，將該路由節點的跳數加一。路由節點的主要職責包括:① 式在接收時隙，接收上一跳節點的同步廣播，執行，需要時轉發;接收上一跳路由的招測信令，執行或轉發，有轉發任務時，產生喚醒消息;有消息(數據或節點信息)要向上一跳路由發送時，立即轉發(來自下一跳路由);在睡眠監視和睡眠操作時，如果有轉發，還需處理轉發引起的喚醒，否則處理正常接收時隙睡眠。② 在發送時隙，轉發來自上一跳路由的同步廣播或招測信令;睡眠時間處理時，如果無招測，發送后延時4個時隙睡眠;有本地招測信令時，根據命令
性質，產生睡眠時間;接收來自下一跳路由或普通模塊發來的信息。路由節點工作流程如圖6 所示。圖6路由節點工作流程

圖 6 路由節點工作流程

3.4匯聚節點軟件設計
匯聚節點是整個抄表網絡的匯聚中心，負責建立和維護抄表網絡。它通過UART與上位機直接相連，以實現路由節點傳遞過來的數據入庫。匯聚節點每接收到上位機通過UART發來的指令，就會解析指令內容，然后向下級路由節點發出解析后的命令。匯聚節點上電后，會周期的發出同步廣播幀。接收到路由節點分配請求，它會為每一個登錄的路由節點生產一個路由ID，ID存儲在路由表中，方便上位機查看。每次路由節點登錄時都會先檢查路由表，如果有路由節點掉線，那么該節點在路由表中的位置就會空出來，當給新登錄的路由節點分配ID時，就會優先分配空出來的ID。

4 服務器設計
搭建實驗測試環境，驗證該抄表方案的有效性和可行性。測試搭建了4跳網絡，共使用匯聚節點1個、路由節點3個和普通節點12個，每個路由節點周圍放置4個普通節點。考慮到實際情況，招測的數據都是預先寫入普通節點，且每個普通節點寫入的數據都不一樣，用來驗證招測的準確性。先后進行了簇招、單招和全招的測試，將簇招接收到的數據整理成簇招結果如表1所示，單招測試為隨機招測3個路由中的1～2個節點，結果返回正確，全招測試返回也正確。

表 1 簇招結果

驗證系統的穩定性，在3h內按10min一個周期進行自動全招，對比接收數據個數和值，能夠準確無誤地招回數據測試結果表明，基于自主研發的通信協議SD1.0，能準確無誤地完成各種招測命令。

5安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
5.1 系統方案
系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。

5.2 系統功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
本系統適用于一些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表。

水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。

遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

5.3 產品選型

6結束語
LoRa 技術非常適合應用于遠距離無線抄表系統中，系統采用了SD1.0 自主協議，實現了高效率、低功耗、自組網的遠距離無線抄表系統，完成了管理中心遠程抄取表端數據的功能。本文對系統整體設計結構、硬件設計、節點軟件設計和通信協議設計進行了詳細分析，從實驗結果可知，系統運行穩定、通信距離遠、功耗低、組網快速方便，很好地滿足了無
線抄表系統的需求。

【參考文獻】
[1]王韋剛，丁良，曹祥春.自主協議的低功耗無線抄表系統的實現
[2]閔華松，程志強，黃磊，等．基于RF的無線抄表系統設計［J］．計算機測量與控制，2014(2):639－642.
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.0

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