基于超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能水表系統(tǒng)

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(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展了多年，在智能工業(yè)、智能家居、智慧城市等方面都有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景。但諸如WiFi、藍(lán)牙、ZigBee網(wǎng)絡(luò)等一些主流的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不能很好解決距離和低功耗之間的矛盾[1]。

為較好的解決這樣的矛盾。2013年8月，Semtech公司發(fā)布了一種新型的基于1 GHz以下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(Long Range,簡(jiǎn)稱(chēng)LoRa)的芯片，LoRa的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優(yōu)點(diǎn)，適合于在長(zhǎng)距離發(fā)送小數(shù)據(jù)量且使用電池供電方式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[2-3]。越來(lái)越多的企業(yè)與城市采用LoRa作為構(gòu)建物理網(wǎng)的基本單元。

隨著城市化的高速發(fā)展，水表作為反饋居民用水信息的直接設(shè)備成為了幾乎所有小區(qū)、寫(xiě)字樓(商區(qū))必須安裝的基礎(chǔ)設(shè)備之一。如何對(duì)龐大且分散的用水信息進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、有效的抄表成為水務(wù)公司及相關(guān)部門(mén)急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的人工抄表需要挨家挨戶(hù)的抄讀水表，抄表人員繁瑣的將數(shù)據(jù)錄入水務(wù)系統(tǒng)后才能生成賬單[4]。其弊端也變得越來(lái)越明顯，主要表現(xiàn)為：針對(duì)抄表員勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、用戶(hù)居住條件限制(偏遠(yuǎn)地區(qū)不利于抄表)、錯(cuò)超、漏超情況嚴(yán)重，耗費(fèi)巨大人力與物力、用水信息不能及時(shí)反饋、用戶(hù)繳費(fèi)不方便等問(wèn)題，在智能信息化逐漸普及化的今天，傳統(tǒng)的人工抄表已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，智能水表將成為未來(lái)的趨勢(shì)。

在對(duì)一個(gè)片區(qū)甚至一座城市的用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的互聯(lián)與轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：其一，與智能電表的設(shè)計(jì)方案不同，水表表盤(pán)空間只能安置電池，功耗問(wèn)題是智能水表領(lǐng)域需要優(yōu)先解決的問(wèn)題。其二，小區(qū)的障礙物眾多以及各式電子設(shè)備以及雷雨天氣引起的電磁干擾嚴(yán)重，急需一種通信能力強(qiáng)勁的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式。為了解決傳統(tǒng)水表方案設(shè)計(jì)上的不足，本文設(shè)計(jì)出一套基于LoRa無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

基于LoRa的水表抄表系統(tǒng)主要由終端(內(nèi)置LoRa模塊)、中繼、網(wǎng)關(guān)(或稱(chēng)基站)、服務(wù)器四部分組成。本設(shè)計(jì)方案中節(jié)點(diǎn)、中繼與網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)方式采用LoRa組網(wǎng)方式，而網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互采用GPRS組網(wǎng)方式[5]。兩種組網(wǎng)方式的結(jié)合構(gòu)成了如下圖1所示的智能水表的系統(tǒng)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)運(yùn)行如下：后臺(tái)服務(wù)端要求節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將指令和參數(shù)傳達(dá)給基站/網(wǎng)關(guān)，再由基站根據(jù)數(shù)據(jù)幀中攜帶的設(shè)備地址信息匹配相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備：節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)主要依靠?jī)煞N方式送達(dá)服務(wù)器，方式一各節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)被保存在基站的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)，等待服務(wù)器統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)，方式二由服務(wù)器根據(jù)設(shè)備的ID地址指定節(jié)點(diǎn)模塊將數(shù)據(jù)單獨(dú)上傳。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，LoRaWAN一般設(shè)計(jì)成典型的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，這樣可以消除同步開(kāi)銷(xiāo)和跳數(shù)，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單和功耗低，因此在小區(qū)水務(wù)抄表中多采用星型、鏈路網(wǎng)絡(luò)。

在信道設(shè)計(jì)上，同一級(jí)的設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置SX1278模塊為相同的通信頻道。在LoRa組網(wǎng)中不同級(jí)的設(shè)備互聯(lián)將LoRa頻率設(shè)置不同，以此來(lái)降低信號(hào)間的互相干擾。同時(shí)該無(wú)線(xiàn)通信模塊具備在線(xiàn)監(jiān)聽(tīng)空中信道與無(wú)線(xiàn)防碰撞的機(jī)制。在對(duì)一座城市布局LoRa組網(wǎng)的情況下，可以有效的降低節(jié)點(diǎn)、中繼、基站設(shè)備之間的通信誤碼率，增強(qiáng)系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)MCU統(tǒng)一采用意法半導(dǎo)體的STM32F10x系列芯片，該芯片采用標(biāo)準(zhǔn)Cortex-M3內(nèi)核，最高72 MHz工作頻率[6]，其32位的處理性能、豐富的外部接口、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能滿(mǎn)足智能水表節(jié)點(diǎn)模塊、中繼模塊以及基站模塊的平臺(tái)搭建。同時(shí)STM32F10x系列芯片也是一款高性能、低電壓、低價(jià)格的產(chǎn)品，比較適合用于中小設(shè)備的應(yīng)用，特別適合微型設(shè)備、儀表和其它電子產(chǎn)品的應(yīng)用。MCU同時(shí)支持睡眠、停止以及待機(jī)3種低功耗工作模式[7]，方便了系統(tǒng)整體的低功耗設(shè)計(jì)。

3.1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)思路

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。前端攝像頭采集模塊主要用于圖像識(shí)別表盤(pán)上的數(shù)字，以采集水表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。MCU通過(guò)SPI接口配置LoRa的工作方式以及基本參數(shù)。該節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以響應(yīng)服務(wù)器下發(fā)的指令，將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息上傳中繼設(shè)備以及基站設(shè)備，完成記錄用水量，監(jiān)控水表工作狀態(tài)等功能。

初步方案設(shè)計(jì)，每月只進(jìn)行一次抄表和若干次心跳連接，這樣的方案設(shè)計(jì)可以降低能耗，電源模塊采用兩節(jié)3600 mAh電池供電，主控芯片與LoRa射頻模塊的低功耗模式下理論上可讓節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作3～5年。

圖2 節(jié)點(diǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 中繼設(shè)備設(shè)計(jì)思路

中繼設(shè)備一般布置在小區(qū)的屋頂(寫(xiě)字樓商區(qū)頂部)或野外空曠地區(qū)，中繼設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。一臺(tái)中繼設(shè)備可互聯(lián)多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。前端射頻模塊與該臺(tái)中繼設(shè)備互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作在同一通信頻段，保證數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)發(fā)到中繼設(shè)備，延長(zhǎng)LoRa組網(wǎng)的通信距離。與之相對(duì)的，后端射頻模塊與基站(網(wǎng)關(guān))工作在不同頻段上。這樣的設(shè)計(jì)是保證中繼與多個(gè)終端通信為時(shí)分信道，中繼間則為不同頻率的信道。前后端射頻模塊的設(shè)計(jì)以降低中繼設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程中可能存在的通信碰撞問(wèn)題。

圖3 中繼設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 基站設(shè)備設(shè)計(jì)思路

基站設(shè)備主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信指令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的上傳與下載、系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)以及管理功能。GPRS模塊相當(dāng)于基站設(shè)備的網(wǎng)關(guān)，將硬件數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP報(bào)文的方式傳輸給后臺(tái)服務(wù)器?；驹O(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示?；疽话悴渴鹪谝粋€(gè)城市的中心，用戶(hù)流量較為集中的地區(qū)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，中繼設(shè)備可以自動(dòng)搜索所在區(qū)域信號(hào)較好的基站設(shè)備。由于基站在小范圍的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中扮演重要的角色，幾乎系統(tǒng)絕大部分的功能都依賴(lài)基站來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)給基站設(shè)備擴(kuò)展了RS232接口，為后期系統(tǒng)的維護(hù)、應(yīng)急管理提供方便。

圖4 基站/網(wǎng)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 系統(tǒng)件設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)上電后調(diào)用BSP_Init()函數(shù)，對(duì)電路設(shè)備的硬件進(jìn)行初始化。為了有效的降低系統(tǒng)靜默模式下的功耗，前端/中繼/基站的MCU都采取了休眠到喚醒，最后到休眠的循環(huán)工作方式。按照通信雙方的約定需要可以實(shí)現(xiàn)3種通信模式。包括透明廣播模式、定點(diǎn)傳輸模式以及空中喚醒模式。其中空中喚醒模式，使發(fā)送方自動(dòng)添加喚醒碼，定點(diǎn)喚醒目標(biāo)模塊。喚醒Sx1278設(shè)備后進(jìn)行射頻通信，完成通信后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.2.1 應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了設(shè)計(jì)方案整體的智能化水平。對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行了自定義協(xié)議設(shè)計(jì)，其無(wú)線(xiàn)抄表方式分為定時(shí)抄表，以及單播、廣播抄表。在節(jié)點(diǎn)設(shè)備與中繼設(shè)備，中繼設(shè)備與基站設(shè)備之間建立一對(duì)多的映射關(guān)系。方便遠(yuǎn)程服務(wù)器對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。本抄表系統(tǒng)報(bào)文格式為下表1所示，報(bào)文長(zhǎng)度為1 byte定長(zhǎng)字節(jié)。當(dāng)服務(wù)器需要自上而下獲取節(jié)點(diǎn)設(shè)備的基本信息，將這些交互指令以功能碼的形式添加到通信的報(bào)文格式中。

表1 通信報(bào)文格式

如表2所示，節(jié)點(diǎn)設(shè)備與中繼設(shè)備，中繼設(shè)備與基站設(shè)備之間遵循主從的通信方式。本文設(shè)計(jì)了一系列指令功能碼，隨著系統(tǒng)的不斷完善和功能的逐漸豐富可以不斷的增加功能碼的內(nèi)容。主設(shè)備可以通過(guò)發(fā)送0xffff獲取硬件設(shè)備的地址信息、發(fā)送0x0101獲取從設(shè)備的出廠信息(出廠日期，經(jīng)度緯度)、發(fā)送0x0102獲取當(dāng)前設(shè)備的時(shí)間戳，獲取硬件設(shè)備的時(shí)間信息、發(fā)送0x0103獲取水表設(shè)備的電壓瞬時(shí)值，當(dāng)工作電壓低于閾值時(shí)，通知維護(hù)人員及時(shí)維修設(shè)備、發(fā)送0x0201要求從設(shè)備重發(fā)上一條通信指令。

表2 水表數(shù)據(jù)幀部分命令及含義

3.2.2 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

1)節(jié)點(diǎn)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)。

現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。節(jié)點(diǎn)設(shè)備定時(shí)被喚醒，向服務(wù)器上傳水表的數(shù)據(jù)。也需要通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)以輪詢(xún)的方式監(jiān)聽(tīng)串口，在收到數(shù)據(jù)幀且校驗(yàn)通過(guò)后，解析數(shù)據(jù)幀中的功能碼，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能指令，向服務(wù)器反饋節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)。在成功向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)后，定時(shí)重新進(jìn)入休眠模式，以此實(shí)現(xiàn)低功耗。

圖5 采集設(shè)備流程圖

2)基站設(shè)備軟件設(shè)計(jì)。

基站設(shè)備的主程序流程圖如圖6所示，外圍設(shè)備事件都是通過(guò)中斷來(lái)驅(qū)動(dòng)的。

當(dāng)執(zhí)行一個(gè)指定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的抄表指令時(shí)。中斷向量函數(shù)監(jiān)聽(tīng)到LoRa數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀格式向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)備反饋通信事件?；驹O(shè)備與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間建立了超時(shí)重連機(jī)制，基站設(shè)備在響應(yīng)完事件后重新進(jìn)入事件監(jiān)聽(tīng)階段。

依靠該基站設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)，可有效的管理各個(gè)任務(wù)依據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)處理不同的任務(wù)，做到及時(shí)響應(yīng)事件，讓基站設(shè)備在系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用。

圖6 基站設(shè)備流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)時(shí)抄表實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證智能水表的通訊性能，在武漢市華中師范大學(xué)校園內(nèi)教學(xué)區(qū)進(jìn)行實(shí)地抄表實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在如圖7所示的教學(xué)樓進(jìn)行，教學(xué)樓結(jié)構(gòu)為地上14層，地下2層。實(shí)驗(yàn)條件如下：將節(jié)點(diǎn)水表設(shè)備(圖8)安置在任意樓層，基站/網(wǎng)關(guān)設(shè)備(圖9)固定安置在14層天臺(tái)處。數(shù)據(jù)庫(kù)部署在阿里云服務(wù)器。

圖7 教學(xué)樓 圖8 水表節(jié)點(diǎn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)發(fā)送SendData,數(shù)據(jù)成功錄入至數(shù)據(jù)庫(kù)中即為1次通訊成功。實(shí)際測(cè)試結(jié)果地上1層到地上14層通信成功，地下1層與地下2層不能通信?？偨Y(jié)可能的原因?yàn)榈叵聝蓪訛閷W(xué)校的電磁實(shí)驗(yàn)室且樓層結(jié)構(gòu)與上14層存在較大不同。

4.2 有效距離測(cè)試

有效距離測(cè)試條件如圖10所示，中繼/網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)設(shè)備的安置在圖10中進(jìn)行標(biāo)注，兩地直線(xiàn)距離為3.35 km。該段區(qū)域主要為校園內(nèi)的林蔭大道，無(wú)明顯的障礙物，測(cè)試天氣晴朗。

圖9 基站/網(wǎng)關(guān) 圖10 有效距離測(cè)試示意圖

用LoRa設(shè)備進(jìn)行的透明傳輸實(shí)驗(yàn)，改變LoRa通信模塊的空口傳輸速率，實(shí)測(cè)最遠(yuǎn)通信距離為4.45 km，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，隨著LoRa模塊的空中速率逐漸增大，兩模塊間的通信距離逐漸降低。廠家提供的LoRa模塊發(fā)射功率為0.1瓦時(shí)，理論通信距離最大可達(dá)3 km，實(shí)際在華中師范大學(xué)校園內(nèi)測(cè)試的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到1.63 km，幾乎是在視距無(wú)遮擋條件下，此時(shí)LoRa模塊的空中速率為2.4 kbps。在1.63 km的距離能夠保證良好通信，對(duì)LoRa的空速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)速率增大到19.2 kbps時(shí)，最大通信距離下降到1.31 km。

表3 空曠區(qū)域LoRa通信結(jié)果

4.3 系統(tǒng)功耗測(cè)試

從功耗方面看，LoRa模塊的SX1278休眠電流為1 μA,主芯片STM32f103VCT6深度休眠電流為25 μA,實(shí)測(cè)為30 μA,加上晶振等一些外圍電路，電流預(yù)估的休眠電流為30 μA,實(shí)測(cè)電流為35 μA。電路在正常工作狀態(tài)下的電流為60 mA滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)預(yù)算[8]。從整個(gè)水表的功耗計(jì)算來(lái)看，采用兩節(jié)3600 mAh的電池，在規(guī)定的3～5年的時(shí)間內(nèi)可以滿(mǎn)足實(shí)際需求，不過(guò)這還只是一個(gè)預(yù)算值，待后期大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4.4 長(zhǎng)期抄表測(cè)試

為了驗(yàn)證采集系統(tǒng)的有效性。由部署在阿里云服務(wù)器負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中。實(shí)驗(yàn)條件如下：設(shè)置服務(wù)端ip地址“106.14.115.183”，端口為“8080”。對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備編號(hào)為17的水表進(jìn)行30分鐘一次的數(shù)據(jù)采集工作，其顯示的采集結(jié)果可以在圖11所示的數(shù)據(jù)庫(kù)表格中直觀的看到，從下午18:00到凌晨5:30的夜間時(shí)段對(duì)水表進(jìn)行了24次心跳測(cè)試。在保證數(shù)據(jù)上傳不丟幀的情況下系統(tǒng)延時(shí)可控制在1分鐘可接受范圍之內(nèi)，系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)良好。在長(zhǎng)期測(cè)試環(huán)境下,可以保證良好的通信，抄表率為98%～100%之間。

圖11 后臺(tái)數(shù)據(jù)采集

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了LoRa相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)，分析了智能水表的應(yīng)用場(chǎng)景需求，提出一套基于LoRa無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從設(shè)計(jì)方案的軟硬件部分分別展開(kāi)論述，對(duì)方案的通信協(xié)議與可實(shí)施性做出了詳細(xì)的論述。最后就反映系統(tǒng)通信能力的通信距離與低功耗性能兩個(gè)重要指標(biāo)做了測(cè)試分析，并在長(zhǎng)期抄表測(cè)試部分驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性與穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)主要在學(xué)校的教學(xué)樓與無(wú)障礙物的林蔭道進(jìn)行，具有一定程度的適用性。

總結(jié)分析最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了LoRa網(wǎng)絡(luò)為智能系統(tǒng)整體提供了低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶匦?，?shí)現(xiàn)面向用戶(hù)的遠(yuǎn)程管理最終實(shí)現(xiàn)水表的智能互聯(lián)[9]。LoRa組網(wǎng)不僅是對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)很好的補(bǔ)充，其本身也是一種高效便捷的硬件組網(wǎng)方案。

本文所介紹的智能水表系統(tǒng)仍然存在許多可以完善的地方，在不遠(yuǎn)的將來(lái)作為智能三表[10]中的智能水表最終會(huì)改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

參考文獻(xiàn)：

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