隨著科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及國家用電信息采集終端在國家智能電網(wǎng)建設(shè)中舉足輕重的地位，采集終端的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速性成為智能電網(wǎng)衡量標(biāo)準(zhǔn)中重要的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于以往的有線通信方式電力載波以現(xiàn)存的低壓配電線為基礎(chǔ)，此網(wǎng)絡(luò)隨處可見，具備簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，但是也存在噪聲干擾大、信號(hào)衰減復(fù)雜、隨機(jī)性與時(shí)變性較強(qiáng)等劣勢，顯然，此種通信方式是不能滿足對(duì)于信號(hào)傳輸穩(wěn)定性要求的。

隨后出現(xiàn)無線通信的方式，以前主要以GPRS為主，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，此通信方式可以把8個(gè)時(shí)隙有機(jī)地結(jié)合起來，能夠以115kbit/s的寬帶速度傳輸數(shù)據(jù)，相對(duì)GSM快了很多，能夠保證用電信息更加快速、穩(wěn)定地傳輸采集的數(shù)據(jù)，但是也存在延時(shí)長、速率慢、成本高等缺點(diǎn)。

伴隨著新型物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸普及，這些問題的解決方案終于來臨，LoRa網(wǎng)絡(luò)采用的是無線免費(fèi)頻段，功耗低、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、平均時(shí)延短，利用先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和編解碼方案，對(duì)于鏈路預(yù)算也加入進(jìn)去，并且對(duì)增強(qiáng)衰落和多普勒頻移擁有好的穩(wěn)定性。

本文針對(duì)抄表系統(tǒng)中集中器中的無線通信模塊進(jìn)行研究，它內(nèi)嵌高性能低功耗的MCU，在目前技術(shù)的制約下和不改變集中器軟硬件接口的前提下，通過以太網(wǎng)口與集中器連接，采用的是集中器通信模擬主站服務(wù)器、集中器客戶端的設(shè)計(jì)思路，很大程度上提高了集中器的通信速率。

本模塊主要是采用MCU控制模塊來掌握整個(gè)通信流程，并且配合其他的芯片運(yùn)轉(zhuǎn)，用來實(shí)現(xiàn)1376.1規(guī)約和DLT 698.45規(guī)約（面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)交換協(xié)議）的轉(zhuǎn)換。LoRa的芯片主要用來實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的無線網(wǎng)絡(luò)的連接。Flash芯片存儲(chǔ)集中器數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)、和各類轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)等。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

基于LoRa的用電信息采集系統(tǒng)主要針對(duì)信息采集系統(tǒng)，在整個(gè)抄表系統(tǒng)起著連接與控制的作用，擔(dān)任著數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)收集的任務(wù)，在信息采集系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)向下要采集各個(gè)電能表參數(shù)的信息（智能表的正向有功總、尖、峰、平、谷等），向上要將采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至電力服務(wù)器，然后將服務(wù)器中接收到的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫、前端的網(wǎng)頁以及客戶端，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)調(diào)用來顯示各個(gè)采集到的具體數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程抄表用電信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

通信模塊的總體結(jié)構(gòu)：LoRa遠(yuǎn)程無線通信模塊采用LoRa FBL10D模塊，MCU由D20處理器以及Flash組成。遠(yuǎn)程通信模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控芯片D20通過網(wǎng)絡(luò)接口與集中器連接，通過USB3.0口與LoRa芯片連接，通過SPI總線與Flash芯片連接，通過I2C總線NFC芯片連接[8]。主控MCU芯片與LoRa芯片的連接方式不僅僅是USB3.0，伴隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，還有PCIE以及基于光纖的高速串行總線AFDXFC等通信方式。

圖1 遠(yuǎn)程抄表的用電信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 LoRa通信模塊的總體結(jié)構(gòu)

本模塊設(shè)計(jì)主要的優(yōu)勢是采用新主流的物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式LoRa，使用免費(fèi)頻段，具有成本低，傳輸數(shù)據(jù)可靠，組網(wǎng)迅速便捷[9]，相比傳統(tǒng)的無線GPRS、4G、ZigBee等網(wǎng)絡(luò)，具有天然的優(yōu)勢，在傳輸效率方面，LoRa能夠快速傳輸數(shù)據(jù)，完成通信的任務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

ATEML D20是一種低功耗、高性能，基于嵌入式ARM 32位的控制器，運(yùn)行于48MHz，并有兩階段的通道，單周期I/O接入，單周期32×32倍增長事件系統(tǒng)和一個(gè)快速靈活的中斷控制器，它的效率極高，可以達(dá)到2.14核心和93DMIPS。并且集成了16位的TC與比較/捕捉通道，看門狗定時(shí)器等，另有USART全雙工和單線半雙工裝備、I2C、SPI等?？梢詽M足多種科研的需求與運(yùn)用。

通信控制模塊主要利用ATMELD20為核心控制處理器，其中最重要是它創(chuàng)新使用了串行通信模塊（SERCOM），它屬于全軟件配置型，支持I2C、USART/UART和SPI通信，經(jīng)過整理，能夠讓眾多外設(shè)準(zhǔn)確適應(yīng)應(yīng)用的需求。該裝備由充電鋰電池供電。

對(duì)于通信模塊的選擇，要適應(yīng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠性高的要求。本信息系統(tǒng)選用的通信模塊是F8L10D，該通信模塊具有多個(gè)免費(fèi)無線通信頻段，實(shí)現(xiàn)超長通信距離、抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)程配置參數(shù)、超高的接收靈敏度，并且支持LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活、成本低，項(xiàng)目部署優(yōu)勢明顯等特點(diǎn)。

對(duì)于各個(gè)芯片之間的干擾與電壓之間平衡問題，我們采用在MCU和FBL10D之間串聯(lián)一個(gè)共模電感L1防止USB信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾，并且串聯(lián)R3、R4電阻到測試點(diǎn)以便于調(diào)試，電阻默認(rèn)不貼。為了滿足USB數(shù)據(jù)線信號(hào)完整性，要求L1/R3/R4需要靠近模塊放置。

通信模塊FBL10D 的電壓范圍在3.3～3.6V之間，在EGSM900模式下，瞬間峰值電流可能達(dá)到2.0A，為了預(yù)防電壓跌落到3.3V以下，在使用開關(guān)電源或LDO時(shí)需要能提供足夠的電流，因此需要在模塊供電端加一個(gè)容值大于470◆F的鉭電容或者電解電容。要避開天線部分，以防止電磁干擾，這些設(shè)計(jì)有效解決了上述的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上按照順序流程各個(gè)模塊的配置按照如下步驟進(jìn)行。實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)首先是電能表的DL/T 645通信收發(fā)任務(wù)，接下來是LoRa的DL/T 698通信流程，然后是智能抄表和循環(huán)檢測的任務(wù)，其次是DL/T 698協(xié)議解析與組幀的工作等任務(wù)，軟件使用的是IAR軟件，它是C編譯器，帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具等。

在c文件main（）主程序首先執(zhí)行MCU內(nèi)核時(shí)鐘的配置，配置運(yùn)行頻率和低速外設(shè)最低頻率，然后接著繼續(xù)編寫關(guān)于GPIO、SPI、UART、I2C和PWM串口等外設(shè)[10]，并初始化通信模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過優(yōu)化模型，并通過SCOKET套接字進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接。

對(duì)下面的想法進(jìn)行優(yōu)化對(duì)照，首先微處理器MCU芯片與集中器之間通過以太網(wǎng)確立TCP/IP連接，集中器為客戶端，MCU為服務(wù)器，建立第一組C/S連接；微處理器MCU經(jīng)過LoRa通信模塊與遠(yuǎn)程主站建立TCP/IP連接，LoRa芯片和USB3.0組合為微處理器芯片的一個(gè)虛擬網(wǎng)口，MCU為客戶端，遠(yuǎn)程主站為服務(wù)器，建立第二組C/S連接；MCU被當(dāng)做主站服務(wù)器獲取集中器客戶端的數(shù)據(jù)，并模擬集中器客戶端響應(yīng)遠(yuǎn)程主站服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，完成集中器與遠(yuǎn)程主站之間的數(shù)據(jù)交互[。

圖3所示為LoRa通信模塊與遠(yuǎn)程主站通信流程圖。

圖3 LoRa通信模塊與遠(yuǎn)程主站通信流程圖

LoRa模塊的初始化流程：LoRa模塊上電后，用AT指令對(duì)模塊進(jìn)行初始化，經(jīng)過PPP協(xié)議與LoRa無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過套接字與遠(yuǎn)程主站服務(wù)器進(jìn)行TCP連接，經(jīng)過心跳檢測與主站的連接。初始化之后，F(xiàn)BL10D模塊與主站通過scoket進(jìn)行連接通信，本系統(tǒng)主要選用流式scoket，主要面向C/S模型應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

Socket俗稱BSD套接字，主要實(shí)現(xiàn)程序間的進(jìn)程通信，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中經(jīng)常用到，主要在傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖4所示為實(shí)用新型通信連接流程示意圖。

圖4 實(shí)用新型通信連接流程示意圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)對(duì)此模塊靈敏度、功耗、通信距離進(jìn)行測試。此模塊的技術(shù)參數(shù)選定工作頻率為433MHz，發(fā)射功率為30dBm，帶寬為125kHz，前向糾錯(cuò)碼率為4/5，數(shù)據(jù)傳輸速率是4kbit/s。

4.1 接收靈敏度測試

此實(shí)驗(yàn)采用的是普通的信號(hào)源、可改變的衰減器和特定的屏蔽箱。將此模塊放在特定屏蔽箱內(nèi)，此設(shè)備對(duì)于1.2GHz以下的信號(hào)能屏蔽大約◆120dBm，因此測試結(jié)果具有一定的權(quán)威性。普通的信號(hào)源產(chǎn)生接收模塊能夠辨別的待測信號(hào)，輸出功率控制在+30dBm，接收模塊如果能夠辨別可變衰減器對(duì)普通信號(hào)源輸出的調(diào)制的衰減信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的LED燈會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的閃爍。

在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)信噪比（SNR）、擴(kuò)頻因子（SF）與接收靈敏度之間的關(guān)系進(jìn)行研究。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此模塊的靈敏度達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。數(shù)據(jù)顯示，SF的值越大，接收靈敏度越高，SNR的值越小，接受靈敏度越高，測試結(jié)果見表1。功耗測試見表2。

4.2 通信距離測試

模塊通信距離的測試，首先是對(duì)區(qū)域的選取，我們選擇在北京某個(gè)相對(duì)空曠的地方，采用相對(duì)比較簡易的兩個(gè)LoRa模塊，使用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，發(fā)射功率按照最大值設(shè)定到30dBm，并且把接受的靈敏度設(shè)定到最合適的◆138dBm，此區(qū)域路比較筆直寬闊，路兩側(cè)的建筑物相對(duì)比較少。測試的距離與丟包率的關(guān)系見表3。

表1 LoRa模塊靈敏度測試

表2 功耗測試

表3 LoRa模塊距離測試與丟包率的情況

在表3中可以看出，當(dāng)通信距離大于8km時(shí)，丟包率大于6%，當(dāng)大于11km時(shí)，丟包率大于18%，會(huì)出現(xiàn)通信中斷的情況，符合此模塊設(shè)計(jì)的初衷，符合要求。

結(jié)論

本文對(duì)遠(yuǎn)程智能抄表體系中集中器中通信模塊進(jìn)行研究與改善，主要針對(duì)通信模塊中運(yùn)用最新的LoRa無線通信技術(shù)，將最新的LoRa芯片與MCU的相結(jié)合，替代傳統(tǒng)的無線通信方式，使其在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、靈敏度、丟包率、功耗等方面都有所提高，符合國家提出的智能電網(wǎng)的要求，也切合智能家居物聯(lián)的趨勢，能夠很好滿足遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的需求。

依托LoRa無線通信技術(shù)，后面可以考慮針對(duì)此通信方式的組網(wǎng)算法以及對(duì)行業(yè)應(yīng)用的研究。