（国网湖北省电力公司计量中心 430080）
摘要：针对目前水表的控制逐步实现智能化。本文提出了一种基于LoRa无线水表的采集模块的设计方案。该方案以LoRa模块为核心，介绍了无线抄读模块的唤醒机制、广播抄表机制、以及多信道下的抄表机制。最后对模块的通信性能以及水表的功能进行测试，实验结果表明，该无线采集模块满足目前通信距离远、功耗低、组网抄表方便，有广泛的应用前景。
关键词：LoRa；唤醒机制；广播抄表机制；组网
0引言
随着科学技术的发展，电子设备的功能越来越强大，水表的控制也逐步实现了智能化。在目前的现有技术中，水表的智能化控制一般采用有线、无线两种通信方式。但是简单、高稳定性、低功耗的效果是目前业界一大难题。本文提出了基于LoRa无线水表的采集模块，提高了水表稳定性，降低了低功耗，提高了水表智能化控制应用的适用性。
1基于LoRa无线的水表采集模块的介绍
如何有效的提高智能水表通过无线通信方式控制的稳定性和低功耗，以提高智能水表智能化控制的适用性是目前业界一大难题。
本文提出了基于LoRa无线水表的采集模块，适用于于水、气、热、电的四表集抄系统，LoRa 无线通信是一种基于扩频的调制方式，通过扩频把信号扩展到带宽较宽的噪声中，获得扩频增益，信号淹没在噪声中，接收方只需要知道正交的扩频序列即可从噪声中恢复信号。相对现有的基于FSK调制的水表无线抄表技术，LoRa通信有更好的灵敏度，更强的抗干扰，噪声和抗阻塞能力。
图1基于LoRa无线的水表采集模块
本文提出的基于LoRa无线的水表采集模块应用采集系统如图1所示，服务器通过以太网或GPRS与水、气、热、电的四表合一的集中器进行通信，集中器下行可通过PLC（Power Line Communication）采集多个通信接口转换器内的数据。通信接口转换器是满足于水、气、热、电的四表集抄市场需求而开发的采集终端，下行可支持2路M-BUS总线，2路RS485总线，PLC，微功率等通信方式，在通信接口转换器中内置一个基于LoRa无线的水表采集模块，实现水、气、热、电的四表集抄系统对LoRa无线水表的采集。
本文提出的基于LoRa无线的水表采集模块主要功能如下所述：
●LoRa无线采集模块上行与转换器通信，通信硬件接口与单相电能表弱电接口相同，软件通信协议为CJ/T188-2004。
●采集模块每日采集一次水表数据，数据保存时间为1天，最大支持200块水表的可支持数据采集。
●采集模块支持星形组网，广播抄表方式，点对点的响应时间要求在5s以内。
●为防止多台区抄表串扰，支持分台区专用抄表信道抄表。
●无线数据通信支持采用AES-128加密算法，确保数据通信安全。
其中，采集模块内置一个任务管理系统，系统为非实时性系统，任务由事件驱动，通过简单轮询判断。系统支持内存分配、消息、事件、定时器等功能。
2关键技术
2.1水表唤醒机制
如图2所示，为降低功耗，LoRa[1]无线水表通过周期性监听的方式接收数据，每3秒被唤醒一次，每次通过CAD（Channel Activity Detection）信道活动检测检测判断空中是否有报文。如果未检测到信号，水表节点将继续进入到休眠模式，在休眠模式下，整机的平均电流为2~ 4uA；如果采集模块需要唤醒水表节点，需发送一定数据的唤醒帧。
在水表节点被唤醒过程中，LoRa无线水表采集模块一共发送25帧唤醒帧，每一帧占用时间为120ms，整个唤醒帧的发送周期为略大于3秒，而水表节点的监听周期为3秒，所以在一个唤醒周期内，水表节点将能检测到空中的唤醒信号。唤醒帧的数据域中包含有帧序号及水表节点信息，而水表在收到唤醒报文后，会进行地址判断。如果目的地址不是本水表的地址将会进入到休眠模式，如果目的地址是本水表地址或是广播地址，则进入等待流程，水表节点在等待2.76s后再次检测空中信号，并接收数据内容。
图2水表唤醒示意图
按当前工作方式，水表模块完成一次数据接收，所处接收状态的时间为300ms以下，有效降低了水表的接收功耗。
2.2广播抄表机制
图3广播抄表示意图
本文提出的基于LoRa无线的水表采集模块结合抄表实际应用场景，水表每日抄读一次数据，为提高抄表效率，同时降低水表功耗，采集模块在组网完成后，将使用广播抄表方式，数据上报过程采用TDMA（Time Division Multiple Access）时分多址机制。采集模块的组网过程会完成对水表节点的信道号及时隙号的配置，在整个网络内每个水表只有唯一的时隙号，最大时隙号由水表个数决定。广播抄表如下图所示，采集模块发送广播抄表命令帧后，网内的水表节点正常接收数据，水表节点根据分配的时隙号定时向采集模块上报数据。
广播命令帧同时具有同步作用，TDMA机制[2]能有效避免各水表上报数据时的冲突，提高上报数据的成功率。本采集模块方案中，支持两种广播抄表方式，一种是全网广播，第二种是广播点名。
水表节点通过监听广播点名帧，可以判断出采集模块节点是否已收到抄表数据，如果广播点名帧未包含本水表的短地址，且广播点名帧的地址已超出本节点地址，则采集模块已接收到水表数据。水表根据网络规模休眠一段时间，此休眠时间段可避免被采集模块后续发出的广播命令帧所唤醒。其中，点名顺序包含正序和倒序，通过调整抄表顺序可均衡节点唤醒功耗。
2.3多信道抄表机制
图4信道分布示意图
多信道抄表机制基本原则是尽量做到相邻采集模块节点占用不同的抄表信道，从而避免串扰。如图4所示，目前本方案中支持20个抄表信道及一个公共信道，水表节点在未入网时，只监听公共信道上的数据，入网成功后，只监听配置后的抄表信道上的数据。
2.4上下行通信采用不同扩频因子
内置的LoRa采集模块的上下行通信采用不同的扩频因子[3]。扩频信息的发送速度称为符号速率（Rs），而码片速率与标称符号速率之间的比值即为扩频因子，其表示每个信息位发送的符号数量；不同的扩频因子会影响不同的通信速率及接收灵敏度，扩频因子越大，通信速率越慢，接收灵敏度也越小，通信成功率越高。由于采集模块的供电电压稳定，对功耗要求不高，方案中采集模块的下行通信使用扩频因子8，而水表由电池供电，电池电压随时间会越来越低，同时模块发送数据的频繁不高，为提高水表节点到采集模块的之间的成功率，选用大于上行通信的扩频因子。
3性能测试及分析
3.1通信稳定性测试及分析
该系统的通信稳定性分析主要分为两部分，一是在通信质量良好的情况下，检测低功耗机制处理的成功率；二是检测在复杂试挂环境下的通信质量。
●低功耗机制下的可靠性测试
LoRa无线水表采集模块对于低功耗要求，采用了多种低功耗处理机制，而数据通信的成功率必须基于该软件实现的合理设计及可靠运行，因此通过在低功耗机制下对采集模块软件检测其可靠性及鲁棒性是非常必要的。
通过实践工作，在通信环境良好的情况下，广播抄表的一次成功率在98%以上。另外，在日冻结数据抄表过程中，抄表成功率100%。
●拭挂环境测试
在挂网测试中，水表模块一般位于墙体内的水表箱内，水表箱为铁制，对通信性能有一定影响。同时，通信信号不仅要穿透水平墙面，同时还需要穿透多层垂直的墙面，符合现场较为复杂的应用环境。在模拟多种通信环境的拭挂测试中，数据表明点对点抄读一次成功率在97%左右，广播抄读一次成功率在95%左右，日冻结数据的抄表成功率可达100%。
因此，通过低功耗机制下可靠性测试和拭挂环境测试的结果分析可知，本文提出的基于LoRa无线的水表采集模块在水、气、热、电的四表系统中日冻结抄表成功率可达100%，高于水表行业中日冻结抄表成功率在98%以上的要求。
3.2功耗分析
使用当前工作方式，水表监听周期为3秒，电池电量按标称值的80%计算，一节ER18505电池可使用近10年，即10年以内水表无需更换电池，大大节约经济成本。
4结语
实验表明，本文提出的基于LoRa无线的水表采集模块，适用于水、气、热、电的四表集抄系统，具有更好的灵敏度，更强的抗干扰、噪声和抗阻塞能力，更低的功耗，在满足正常抄表需求的情况下，使得水表仅需一节ER18505电池就可使用近10年，无需更换电池，从而大大提高了智能水表智能化控制应用的适用性。LoRa无线水表采集模块因其施工难度小，水表电池使用寿命长，同时能保证较高的通信成功率，后期市场较为可观。
参考文献：
[1] 刘琛.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术.2016（5）
[2] 龚天平.LoRa技术实现远距离，低功耗无线数据传输[J].电子世界.2016（10）；115-117
作者简介：
杨丽华，1980.12，女，汉，硕士，中级工程师，电能计量工作。
论文作者:杨丽华
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：水表论文; 模块论文; 抄表论文; 通信论文; 节点论文; 数据论文; 信道论文; 《电力设备》2017年第36期论文;