左瑞娟 ，武永華，姜 華 ，曾淦雄

（1.福建師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，福建 福州 350007；2福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

目前國(guó)內(nèi)主流的抄表方式為手工抄表，隨著城市化的發(fā)展，該抄表方式的局限性日益凸顯。傳統(tǒng)人工抄表需要抄表員對(duì)住戶(hù)進(jìn)行逐戶(hù)走訪，給抄表員和住戶(hù)都帶來(lái)了麻煩。手工抄表方式實(shí)時(shí)性差，容易出現(xiàn)誤抄，漏抄等情況[1]。在物聯(lián)網(wǎng)[2]技術(shù)日漸成熟的今天，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表既可以減輕抄表員工作負(fù)擔(dān)，又可以保障用戶(hù)權(quán)益。當(dāng)前國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有基于RS485總線[3]，基于RJ45接口網(wǎng)線等有線方式以及基于GPRS[4],WiFi[5],Zigbee[6-7]等無(wú)線方式。對(duì)于有線方式，有布置成本高、施工難度大等缺點(diǎn)；對(duì)于基于WiFi,Zigbee的方式，有傳輸距離近、抗干擾能力差等局限性。針對(duì)國(guó)內(nèi)各種抄表方案的不足，文中設(shè)計(jì)了一種基于Semtech公司的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)模塊構(gòu)建的二級(jí)組網(wǎng)抄表系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在水表抄收等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水表的遠(yuǎn)程無(wú)線抄收。

1 二級(jí)組網(wǎng)抄表系統(tǒng)整體框架

二級(jí)組網(wǎng)抄表系統(tǒng)由采集器與集中器兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。采集網(wǎng)絡(luò)中，采集器作為葉節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)4路采集設(shè)備或者傳感器進(jìn)行采樣與存儲(chǔ)，并通過(guò)SX1278 LoRa模塊與集中器進(jìn)行通信。集中器作為采集網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，管理下轄的最多32臺(tái)采集器，負(fù)責(zé)它們的數(shù)據(jù)匯總和處理，同時(shí)集中器通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至管理中心服務(wù)器，并可以轉(zhuǎn)達(dá)管理中心對(duì)下屬集中器和采集器節(jié)點(diǎn)的增、刪、改的操作指令。該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 集中器硬件設(shè)計(jì)

集中器硬件主要由電源，MCU,M35 GPRS模塊，AT45DB321D FLASH存儲(chǔ)芯片，SX1278 LoRa無(wú)線模塊幾個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，其硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 集中器硬件功能設(shè)計(jì)

2.1.1 電源

采用雙電源設(shè)計(jì)，可以支持直流電源或電池供電。直流電源供電輸入電壓為9～12 V，電池供電采用2節(jié)ER26500M 3.6 V電池串聯(lián)供電。電源的輸入由電源切換模塊，其中直流供電的優(yōu)先級(jí)較高，在直流電源與電池同時(shí)供電時(shí)，電源切換模塊會(huì)采用直流電源進(jìn)行供電。為了防止信號(hào)之間的串?dāng)_，M35 GPRS模塊與 SX1278 LoRa無(wú)線模塊分別采用獨(dú)立的穩(wěn)壓芯片供電。其中，LoRa無(wú)線模塊采用HT7333 LDO穩(wěn)壓芯片。HT7333是一種高效率的低壓差三端穩(wěn)壓芯片，能輸出3.3 V、300 m A的電流。M35 GPRS模塊采用MP1471開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片。MP1471是一種降壓芯片，給GPRS模塊提供4 V電源。

2.1.2 微控制器

采用Microchip公司PIC24FJ128GA308微型控制器芯片。該芯片是一種16位字長(zhǎng)的微型控制器，采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)指令集，具有16×16硬件乘法器以及32×16硬件除法器。在深度休眠模式下，該微控制器核心與定時(shí)器等外設(shè)資源電流損耗僅有400 nA。芯片自帶有RTCC,SPI,UART,ADC等常用外設(shè)[8]。

2.1.3 LoRa模塊

采用Semtech公司的工作于UHF頻段的低功耗長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸SX1278模塊。城市內(nèi)最大工作距離高達(dá)3～5[9]km。在休眠模式下典型功耗為0.2 μA，接收模式下典型功耗為10 mA，在使用最大20 dbm發(fā)射功率時(shí)典型功耗為120 mA，使用7dbm發(fā)射功率時(shí)，典型功耗為2 mA。

2.1.4 GPRS模塊

采用QUECTEL公司的M35 GSM/GPRS模塊。模塊內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的協(xié)議棧，支持TCP/IP協(xié)議[10]。模塊與微控制器以UART接口連接，微控制器通過(guò)收發(fā)AT命令對(duì)其進(jìn)行控制?；诘凸目紤]，M35模塊的穩(wěn)壓器電源的開(kāi)關(guān)僅在需要向管理中心上傳數(shù)據(jù)時(shí)才定時(shí)開(kāi)啟，在不使用時(shí)電源處于切斷狀態(tài)。

2.1.5 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

采用Atmel公司的AT45DB321D FLASH存儲(chǔ)器芯片。該存儲(chǔ)器采用SPI接口與微控制器相連，最高支持頻率達(dá)66 MHz，工作電壓范圍為2.5～3.V。該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為4兆字節(jié)。

2.2 采集器硬件設(shè)計(jì)

集中器硬件主要由電源，MCU，SX1278 LoRa無(wú)線模塊，AT45DB161D FLASH存儲(chǔ)器，控制電路，傳感器組幾個(gè)關(guān)鍵模塊組成，其硬件設(shè)計(jì)功能如圖3所示。

圖3 采集器硬件功能設(shè)計(jì)

2.2.1 電源

采用與集中器相同的雙電源設(shè)計(jì)，采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管完成對(duì)控制電路通斷的控制。

2.2.2 微控制器

考慮到采集器數(shù)據(jù)處理功能要求低，采用與集中器的微控制器同系列的PIC24FJ128GA306微控制器芯片。該型芯片外設(shè)資源比集中器使用的微控制器資源少，成本低。

2.2.3 LoRa模塊

采用與集中器相同的SX1278 LoRa模塊。

2.2.4 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

采用與集中器存儲(chǔ)器芯片相同系列的AT45DB161D FLASH存儲(chǔ)器芯片。該芯片性能與集中器使用的AT45DB321D相似，容量為2兆字節(jié)。

2.2.5 傳感器組

為一組用于采集表具數(shù)據(jù)用的傳感器或獨(dú)立采集模塊，輸入為模擬信號(hào)。該模塊可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景不同進(jìn)行替換，相應(yīng)需要對(duì)軟硬件進(jìn)行適當(dāng)修改。

2.2.6 控制電路

主要起到閥門(mén)驅(qū)動(dòng)的作用。設(shè)計(jì)采用SPX3010直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有電壓反饋的三線電控閥門(mén)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為采集器與集中器兩部分。設(shè)計(jì)將系統(tǒng)的需求分為不同模塊，模塊之中依據(jù)需求劃分一個(gè)或多個(gè)不同任務(wù)。任務(wù)由任務(wù)調(diào)度器周期性調(diào)度。調(diào)度器采用基于時(shí)間觸發(fā)的改進(jìn)型合作調(diào)度機(jī)制[11]，可以在不同時(shí)間間隔執(zhí)行多個(gè)任務(wù)[12]?；陔姵貕勖紤]，采集器與集中器工作時(shí)以一定的工作周期間歇休眠。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的LoRa無(wú)線通信信道劃分為廣播與數(shù)據(jù)兩個(gè)信道。通信總由集中器在廣播信道以較長(zhǎng)前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)包發(fā)起，由被呼叫到的采集器應(yīng)答，之后在數(shù)據(jù)頻道上持續(xù)進(jìn)行。雙信道的設(shè)計(jì)可以減少采集器被喚醒的時(shí)間，降低功耗。

3.1 任務(wù)調(diào)度器設(shè)計(jì)

基于精確控制功耗與在精確時(shí)間間隔執(zhí)行多個(gè)不同任務(wù)并進(jìn)行休眠的需求，也為了避免引入競(jìng)爭(zhēng)條件等復(fù)雜情況，軟件的任務(wù)調(diào)度器設(shè)計(jì)基于時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度機(jī)制，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)。在該調(diào)度機(jī)制下，系統(tǒng)采用定時(shí)器產(chǎn)生一定周期的時(shí)標(biāo)中斷，每個(gè)任務(wù)都設(shè)有固定的執(zhí)行周期和啟動(dòng)時(shí)延。系統(tǒng)初始化時(shí)會(huì)將任務(wù)裝載入任務(wù)隊(duì)列，重置每個(gè)任務(wù)計(jì)數(shù)器。調(diào)度器分為任務(wù)刷新和任務(wù)執(zhí)行兩個(gè)部分構(gòu)成。在每個(gè)時(shí)標(biāo)中斷的處理函數(shù)中會(huì)調(diào)用調(diào)度器的任務(wù)刷新程序，對(duì)任務(wù)隊(duì)列中每個(gè)任務(wù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行減一操作。當(dāng)有任務(wù)的計(jì)數(shù)器被清零時(shí)，該任務(wù)被轉(zhuǎn)交給執(zhí)行部分執(zhí)行。如圖4所示為任務(wù)的調(diào)度時(shí)序，圖中運(yùn)行有 T1，T2，T3 3個(gè)任務(wù)，其中T1、T2任務(wù)執(zhí)行間隔為 100 ms，T3執(zhí)行間隔為200 ms。時(shí)標(biāo)中斷將時(shí)間等分成時(shí)隙，只要每個(gè)任務(wù)單次執(zhí)行時(shí)間粒度不超過(guò)時(shí)隙寬度即可正常執(zhí)行。

圖4 任務(wù)調(diào)度時(shí)序

3.1.1 調(diào)度器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

任務(wù)調(diào)度器相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中：sch_task為任務(wù)相關(guān)屬性，用于調(diào)度器調(diào)度。sch_task中定義有執(zhí)行周期(period)，啟動(dòng)時(shí)延 (delay)，時(shí)間計(jì)數(shù)器(counter)，任務(wù)狀態(tài)(state)，以及任務(wù)域指針(tsk_field)。任務(wù)域是為任務(wù)定義的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其中stack_base指針指向任務(wù)?；罚琧ontext指向任務(wù)棧上下文保存位置，bind為與任務(wù)綁定的調(diào)度器的任務(wù)域結(jié)構(gòu)體。

圖5 調(diào)度器相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.1.2 調(diào)度器任務(wù)切換實(shí)現(xiàn)

合作式任務(wù)調(diào)度器的任務(wù)切換由當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)觸發(fā)，將執(zhí)行權(quán)交還調(diào)度器，由調(diào)度器運(yùn)行下一個(gè)任務(wù)。通常的合作式調(diào)度機(jī)制需要手動(dòng)將任務(wù)編寫(xiě)成狀態(tài)機(jī)，使用靜態(tài)變量存儲(chǔ)執(zhí)行的中間結(jié)果。由于這種方式不利于程序的編寫(xiě)與維護(hù)，故在該系統(tǒng)中根據(jù)PIC24系列微控制器的架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種基于棧的上下文管理機(jī)制。每個(gè)任務(wù)在初始化時(shí)均分配獨(dú)立的一段?？臻g。任務(wù)釋放控制權(quán)時(shí)調(diào)用由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的上下文切換函數(shù)。調(diào)用該函數(shù)時(shí)，該任務(wù)下一次被調(diào)度時(shí)執(zhí)行的指令地址會(huì)被壓入棧中。此時(shí)，上下文切換函數(shù)會(huì)選擇性將當(dāng)前使用的工作寄存器值壓入棧中（非必要步驟），然后更新任務(wù)域中的上下文指針地址，然后將?；c棧頂寄存器切換為任務(wù)調(diào)度器保存的相關(guān)值，并恢復(fù)工作寄存器。如圖6所示為上下文在棧中保存的結(jié)構(gòu)，其中W15為棧頂指針。由于棧寄存器值被置換，故位于棧底的返回地址也變?yōu)槟繕?biāo)地址，因此在上下文切換函數(shù)返回時(shí)，程序流也返回到了調(diào)度器。在這種機(jī)制下編寫(xiě)任務(wù)無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)狀態(tài)維護(hù)，具有更高的靈活性。

采集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信協(xié)議參考了TCP/IP協(xié)議棧。由于適用范圍較小，所以刪去了網(wǎng)絡(luò)層，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)尋址的任務(wù)交由傳輸層實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，協(xié)議分為物理層，鏈路層，傳輸層，應(yīng)用層4層。

圖6 上下文在棧中結(jié)構(gòu)

圖7 協(xié)議分層

3.1.3 物理層

物理層的特性由LoRa模塊硬件寄存器配置，決定了信道的傳輸特性。

3.1.4 鏈路層

鏈路層的幀結(jié)構(gòu)由LoRa模塊構(gòu)建，結(jié)構(gòu)如圖8所示。本系統(tǒng)配置的鏈路層協(xié)議使用顯性首部模式，幀協(xié)議格式由前導(dǎo)碼(Preamble)，首部(Header)，負(fù)載(Payload)三個(gè)部分組成。首部與負(fù)載有分別的CRC校驗(yàn)字段。數(shù)據(jù)信道與廣播信道使用不同的前導(dǎo)碼長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)不同的喚醒工作周期。

圖8 鏈路層幀協(xié)議

3.1.5 傳輸層

圖9 傳輸層協(xié)議結(jié)構(gòu)與時(shí)序

傳輸層協(xié)議結(jié)構(gòu)與時(shí)序如圖9所示。協(xié)議由協(xié)議信息，狀態(tài)標(biāo)志，目的地址，源地址，包序號(hào)以及數(shù)據(jù)字段構(gòu)成。基于16位微控制器的訪問(wèn)效率，協(xié)議結(jié)構(gòu)按16位對(duì)齊。其中協(xié)議信息用來(lái)表示協(xié)議版本號(hào)等相關(guān)信息。狀態(tài)標(biāo)志表示當(dāng)前的狀態(tài)。目的地址為目標(biāo)的地址，源地址為該包數(shù)據(jù)發(fā)起者的地址。在發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，會(huì)在0～65 535范圍內(nèi)生成隨機(jī)的包序號(hào)。之后發(fā)送方在每收到一包數(shù)據(jù)的確認(rèn)時(shí)，會(huì)將發(fā)出包的序號(hào)加一。在序號(hào)計(jì)滿(mǎn)65 535后，會(huì)從零開(kāi)始繼續(xù)遞增。每次通訊都由集中器在廣播信道上發(fā)起，由被呼叫到的采集器應(yīng)答，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到接收方的確認(rèn)時(shí)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)。在多次沒(méi)有接收到確認(rèn)包時(shí)，接收方會(huì)試圖發(fā)出終止連接的請(qǐng)求，并將異常狀態(tài)報(bào)給給應(yīng)用層。

3.1.6 應(yīng)用層

應(yīng)用層協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間交換的數(shù)據(jù)格式。

3.2 任務(wù)流程設(shè)計(jì)

3.2.1 采集器常規(guī)任務(wù)流程

基于功耗考慮，采集器僅在特定的時(shí)間進(jìn)行與集中器的通信任務(wù)，在一天的大部分時(shí)間里采集器處于非通信狀態(tài)。非通信時(shí)，任務(wù)調(diào)度器中僅運(yùn)行采集任務(wù)與存儲(chǔ)任務(wù)。采集任務(wù)周期性對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，暫存在內(nèi)存中。存儲(chǔ)任務(wù)按一定的周期將任務(wù)存入FLASH存儲(chǔ)器中。

3.2.2 采集器通信任務(wù)流程

如圖10所示為采集器通信的任務(wù)狀態(tài)圖。為了簡(jiǎn)化，圖中省略異常處理狀態(tài)。在到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，會(huì)運(yùn)行通信任務(wù)進(jìn)行偵聽(tīng)。在讀取到有效的應(yīng)用層首部后，會(huì)進(jìn)入連續(xù)讀取狀態(tài)。在讀取足夠長(zhǎng)度之后，進(jìn)入解析狀態(tài)進(jìn)行協(xié)議解析。解析完成之后將執(zhí)行協(xié)議中相應(yīng)的命令，并在執(zhí)行結(jié)束之后對(duì)集中器進(jìn)行回復(fù)，回到偵聽(tīng)狀態(tài)。每一個(gè)狀態(tài)都設(shè)置有不同的異常條件，在觸發(fā)異常之后，程序會(huì)進(jìn)入異常處理狀態(tài)對(duì)異常進(jìn)行處理。

圖10 采集器通信的任務(wù)狀態(tài)流程

3.2.3 集中器常規(guī)任務(wù)流程

集中器在不進(jìn)行通信的常規(guī)運(yùn)行時(shí)，僅間隔一定周期執(zhí)行時(shí)間檢查任務(wù)，期間處于深度休眠。

3.2.4 集中器通信任務(wù)流程

圖11 采集器通信的任務(wù)狀態(tài)流程

如圖11為集中器與采集器之間的通信任務(wù)流程。在到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，集中器會(huì)調(diào)度通信任務(wù)試圖與采集器進(jìn)行連接。若與采集器的連接成功，則會(huì)向采集器發(fā)送命令，隨后轉(zhuǎn)入偵聽(tīng)狀態(tài)。在讀取到有效的應(yīng)有層協(xié)議首部后，進(jìn)入連續(xù)讀取狀態(tài)，在讀取足夠長(zhǎng)度后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)操作。若集中器與一臺(tái)采集器執(zhí)行完所有的數(shù)據(jù)交互之后，將斷開(kāi)與它連接，轉(zhuǎn)而連接下一臺(tái)采集器。在遍歷完采集器列表之后，集中器將終止與采集器的通信任務(wù)。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在福州某小區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)安裝，小區(qū)安裝了2臺(tái)集中器，每臺(tái)集中器連接32臺(tái)采集器。每臺(tái)采集器連接四臺(tái)戶(hù)用水表。采集器接受靈敏度達(dá)到-137 dbm，其它無(wú)線調(diào)制方式比方說(shuō)FSK等無(wú)法達(dá)到。由于集中器采用前導(dǎo)碼方式喚醒采集器且通過(guò)廣播方式完成采集器數(shù)據(jù)的獲取，系統(tǒng)整體功耗大大降低，休眠狀態(tài)下，采集器與集中器功耗只有17 μA，工作狀態(tài)下，采集器與集中器功耗有28 mA左右，本系統(tǒng)電池供電可以維持8年工作時(shí)長(zhǎng)。相比現(xiàn)有無(wú)線抄表系統(tǒng)休眠狀態(tài)下25 μA，工作狀態(tài)下35 mA，本系統(tǒng)功耗大大降低。經(jīng)過(guò)測(cè)試，采用LoRa調(diào)制方式的采集器在正常開(kāi)闊場(chǎng)景下，傳輸距離可以達(dá)到2 km以上，而采用Zigbee方式只有100 m左右，采用其它微功率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)只有1 200 m左右，大大提高了系統(tǒng)的抄表成功率和穩(wěn)定性，也進(jìn)一步降低了硬件成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

本遠(yuǎn)程小組網(wǎng)抄表系統(tǒng)將LoRa無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合到抄表工作之中，實(shí)現(xiàn)低成本高效率的遠(yuǎn)程計(jì)量表數(shù)據(jù)采集和傳輸。本系統(tǒng)采用高度模塊化設(shè)計(jì)，可以廣泛適用于用戶(hù)電表、水表、燃?xì)獗淼雀鞣N計(jì)量表數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。本系統(tǒng)具有的高可靠性以及高實(shí)用性且在水務(wù)相關(guān)行業(yè)之中得到廣泛應(yīng)用。