李慧敏，邢強，高 源，王 猛，馬星河

（1．河南崤函電力供應有限責任公司，河南 三門峽472300；2．河南理工大學，河南 焦作454000）

礦區(qū)供電范圍面積比較大，一般都是上百平方米，人工抄表工作量大，所以借助物聯(lián)網(wǎng)技術能夠提高系統(tǒng)測量精度，能更好地維護系統(tǒng)的高效運行。利用物聯(lián)網(wǎng)技術對礦區(qū)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸與處理，實現(xiàn)對礦區(qū)系統(tǒng)設備正常運行的智能監(jiān)控與管理，從而使礦區(qū)的整個系統(tǒng)管理更加完善，更加高效。

礦區(qū)遠程抄表技術要滿足通信可靠性高、覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、功耗低等方面的要求。而LoRa通信技術采用的是Semtech公司的SX1278超低功耗遠距離收發(fā)器，具有易嵌入、低功耗、傳輸范圍廣、組網(wǎng)容量大、接受信號靈敏度高等優(yōu)勢，因此可以實現(xiàn)該技術在電力行業(yè)遠程抄表系統(tǒng)中的智能應用，解決傳統(tǒng)方式抄表數(shù)據(jù)不精確、工作煩瑣，效率不高等問題，采用LoRa數(shù)據(jù)傳輸原理可以實現(xiàn)信號的遠距離高效傳輸。窄帶物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術符合礦區(qū)遠程抄表網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，能很好地解決礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)中仍然存在的各種問題。例如：在礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臅r候，就需要利用傳遞信號性能好、穩(wěn)定性強、能耗量低的網(wǎng)絡技術，LoRa技術的多方面優(yōu)勢都能滿足系統(tǒng)高效運行的需要。因此基于LoRa技術的硬件設計系統(tǒng)能很好地改善礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀，使礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)更加高效、準確。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 LoRa通信技術

LoRa既是通信物理層也是創(chuàng)建遠程通信鏈路系統(tǒng)的無線調(diào)制方式[1]，它的工作頻譜范圍很廣，且支持半雙工模式，利用擴頻技術的無線傳輸，在實行雙向通信的過程中使數(shù)據(jù)之間的傳輸互不干擾，提高了設備的抗干擾能力。同時LoRa技術包含有2種數(shù)據(jù)包結構，利用其不同的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。

本系統(tǒng)的設計方案在于利用LoRa技術對礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)中的信息采集終端進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、監(jiān)控等[2]，礦區(qū)遠程系統(tǒng)的構成包括信息處理電路、傳感器、高精度的傳感模塊等，作為智能數(shù)據(jù)的采集終端、基站及服務器終端。

利用LoRa技術主要是完成高精度傾斜傳感模塊、風速傳感器、風向傳感器等現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的處理以及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件設計，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集，然后將收集到的信息數(shù)據(jù)傳送到服務區(qū)的基站，并由基站對接收到的信息進行分析處理，最后發(fā)送到服務器終端，從而完成整個無線自動抄表系統(tǒng)的操作。

1.2 LoRa的網(wǎng)絡體系架構

礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)不僅包括對礦區(qū)的用電管理方面的調(diào)度，而且包括對礦區(qū)機電設備的運行狀態(tài)的實施檢測。如圖1所示的礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)中，終端節(jié)點就代表著礦區(qū)中承擔各種操作運行的高精度智能傳感器硬件模塊，它們管理并時刻監(jiān)控著礦區(qū)的運行，由各種傳感器終端硬件設備配合LoRa技術的智能操作，反映著礦區(qū)運行的狀態(tài)。因此需要基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)礦區(qū)的前端數(shù)據(jù)處理，作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)闹薪?，選擇LoRa技術作為系統(tǒng)硬件的網(wǎng)關部分，實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)模塊的數(shù)據(jù)信息傳遞，經(jīng)抄表服務器中心數(shù)據(jù)處理分析后，就可以智能地控制系統(tǒng)設備的正常運行，從而達到對礦區(qū)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

圖1 礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)架構圖

LoRa技術的網(wǎng)絡體系構架是一個典型的星形拓撲結構[3]，在其拓撲架構中，LoRa網(wǎng)關與終端和基站連接，而終端設備采用單跳與1個或多個網(wǎng)關通信，所有的節(jié)點均是雙向通信。在礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)中，終端嵌入LoRa通信模塊，可以利用LoRa的雙層模式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。通過LoRa技術將數(shù)據(jù)發(fā)送至局域網(wǎng)基站，并由基站將數(shù)據(jù)傳輸至PC端或其他網(wǎng)絡設備上，由Ⅰnternet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至服務器中心，相應服務器對數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)遠程抄表。

2 LoRa關鍵技術

2.1 數(shù)據(jù)傳輸原理

LoRa技術在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸之前，首先需要定義自己的通信網(wǎng)絡協(xié)議和物理層網(wǎng)絡結構。LoRa相當于充當了網(wǎng)關中繼站的作用[4]，用來連接前后兩個終端設備的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關是終端節(jié)點和ⅠP網(wǎng)站之間的橋梁，LoRa網(wǎng)關每天能接收大量與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信任務，能實現(xiàn)多信息通道和多數(shù)據(jù)速率的并行處理，而且網(wǎng)關的信息覆蓋范圍也很大，網(wǎng)絡占用率也很高。LoRa數(shù)據(jù)傳輸過程分2個通道進行，從基站到服務器中心為上行通道，從LoRa網(wǎng)關到基站為下行通道，上行通道的數(shù)據(jù)傳輸方式一般是GPS或有線網(wǎng)絡，下行通道通常采用無線網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)信息的接入與傳輸，因此LoRa技術也具有雙向傳輸?shù)奶匦?。LoRa技術也有選擇與適應各種不同頻段頻率的能力，從而控制數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離的平衡，體現(xiàn)高效的抗干擾能力。LoRa技術在不同的數(shù)據(jù)傳輸過程中，會有不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而會產(chǎn)生不同的能量消耗，為了更好的優(yōu)化這一問題，LoRa技術采用速率自適應算法來控制數(shù)據(jù)傳輸率，并將其控制在一定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)降低能耗的作用。

2.2 低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸技術

目前LoRa技術采用的功耗控制方式為功率控制技術和調(diào)整MAC協(xié)議，功率控制技術的原理是根據(jù)實際網(wǎng)絡的動態(tài)變化，通過控制網(wǎng)絡中節(jié)點的發(fā)出功率，自動調(diào)節(jié)網(wǎng)絡參數(shù)，以達到整個系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗的要求。調(diào)整MAC協(xié)議的原理是防止網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)生沖突重傳的情況下，通過關閉節(jié)點的射頻收發(fā)模塊，使節(jié)點盡可能長的處于休眠狀態(tài)，當需要進行數(shù)據(jù)傳輸時，通過喚醒機制喚醒節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。

無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的功率控制技術的方式是通過算法實現(xiàn)的[5]。一類是COMPOW算法，這種算法是在網(wǎng)絡正常聯(lián)通的情況下，通過降低節(jié)點的發(fā)射功率，滿足節(jié)點在相對較低的同一功率下實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息傳輸。COMPOW算法核心是將節(jié)點的功率控制和路由協(xié)議結合的節(jié)能控制方案，通過一個固定的功率值來保證整個系統(tǒng)的連通性，是一種近似最優(yōu)的功率調(diào)整方案。另一種是LMA/LMN算法，這種算法是對系統(tǒng)每個節(jié)點的使用功率控制機制進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)各節(jié)點的發(fā)射功率等級，以調(diào)節(jié)節(jié)點發(fā)生單跳到相鄰節(jié)點次數(shù)的方式，來改善網(wǎng)絡拓撲結構，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行。兩個節(jié)點之間的單跳次數(shù)稱為節(jié)點度，LMA/LMN算法的核心是先給系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)定節(jié)點度的上下限，整個網(wǎng)絡中的所有節(jié)點通過動態(tài)方式調(diào)節(jié)各個節(jié)點的發(fā)射功率，使其各個節(jié)點的節(jié)點度都在規(guī)定允許的范圍內(nèi)。當節(jié)點的節(jié)點度小于規(guī)定的下限時，則相應地增大節(jié)點的發(fā)射功率，相反當節(jié)點的節(jié)點度大于規(guī)定的上限時，相應地減少節(jié)點的發(fā)射功率，以此來確保網(wǎng)絡整體連通性的特點。

無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的MAC協(xié)議實現(xiàn)低功耗的方式是采用避免數(shù)據(jù)傳輸沖突和降低空閑監(jiān)聽功耗[5]，避免數(shù)據(jù)傳輸沖突常采用的機制是CSMA/CA機制和RTS/CTS機制。其中CSMA/CA機制原理是在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點在接受傳輸數(shù)據(jù)之前，先要隨機地延遲一段時間，用來防止多個節(jié)點可能同時檢測到信道空閑進行數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生沖突。RTS/CTS機制中當節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，首先通過控制信號握手，握手通過后才能進行數(shù)據(jù)傳輸，在進行數(shù)據(jù)傳輸之前由節(jié)點發(fā)出一個復位信號，該信號包括了目的節(jié)點的地址和所用信道占用的時長，目的節(jié)點在接收到復位信號后，會相應地發(fā)出反饋信號，以表示準備接收數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送方在接收到目的節(jié)點的反饋信息后，開始傳輸數(shù)據(jù)。這個過程中只有當目的節(jié)點與發(fā)送節(jié)點同時確認所發(fā)信號后，才能開始進行數(shù)據(jù)傳輸，有效地避免了其他節(jié)點發(fā)出的信息發(fā)生沖突，從而做到降低能耗。

2.3 SX1278性能

SX1278經(jīng)常作為無線傳輸系統(tǒng)的硬件設計，相當于是系統(tǒng)中各節(jié)點的無線收發(fā)器。SX1278的頻段范圍很廣，它的靈敏度、擴頻因子能力方面都有很好的優(yōu)勢，承擔著對無線傳輸硬件系統(tǒng)中通信電路的控制。圖2是無線信號傳輸模塊硬件設計中的無線收發(fā)器結構圖，SX1278是無線信號收發(fā)核心[6]，它的頻段范圍是137～525 MHz，包括亞洲、南美洲以及東歐地區(qū)的頻段，覆蓋范圍廣。在MCU接收到外部電路傳送的信號后，首先將接收到的信號轉(zhuǎn)化為TTL信號，通過和SX1278之間設定的射頻通信接口，傳遞給SX1278。外部晶振電路為無線系統(tǒng)提供合適的頻段信號和時鐘脈沖，SX1278收發(fā)器利用其半雙工模式工作，使其接收數(shù)據(jù)工作與發(fā)送數(shù)據(jù)工作分開進行，依據(jù)系統(tǒng)射頻轉(zhuǎn)換器所選擇的頻率范圍，控制SX1278引腳RXTX/RF_MOD的模式選擇，并且以此達到節(jié)省電能的目的。LoRa技術的核心正是由于SX1278芯片的智能控制作用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送方式是通過將信號進行調(diào)制或解調(diào)并通過天線以電磁波的形式傳輸，從而實現(xiàn)礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪?、高效性?/p>

圖2 無線收發(fā)器結構圖

3 LoRa的擴頻調(diào)制技術

LoRa擴頻調(diào)制技術也稱LoRa跳頻技術[1]，擴頻技術的含義是指在數(shù)據(jù)傳輸中擴展數(shù)據(jù)信息的頻譜，使通信過程中數(shù)據(jù)信息所用的頻帶寬度大于信息本身所占的頻帶寬度。擴頻技術實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)展頻的方式是通過對獨立的碼序列進行編碼和調(diào)制來實現(xiàn)的，與所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息本身無關。擴頻技術（跳頻技術）的原理是：在起始端以預定的擴頻編碼進行擴頻調(diào)制，也就是完成一次跳頻[6]。跳頻的發(fā)射和接收的地址編碼都在起始規(guī)定的信道內(nèi)開始的，在發(fā)射機第一次發(fā)射出同步的前導碼和報頭之后，產(chǎn)生第一次跳頻中斷信號，MCU繼而會響應此中斷信號，此時頻率會按照預先的規(guī)定跳到相應的頻道上，這就完成了頻率的第一次跳變。在系統(tǒng)完成一次跳變之后，會自動啟動信道上的計數(shù)器進行同步計數(shù)，完成一個跳變周期之后，會再一次產(chǎn)生一個跳變中斷信號，MCU會再次做出響應，此時頻率會再一次跳到下一個信道上，并按照這種模式反復進行下去。LoRa擴頻技術利用跳頻的方式解決了外部信號的干擾和不同頻段信號的干擾，使擴頻技術具有高效的數(shù)據(jù)傳輸速率、能耗低、顯著的抗干擾和抗衰落能力強等特點。

4 結束語

本文設計了一種基于LoRa技術的無線通信模塊的礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的硬件部分，利用雙層物理結構實現(xiàn)礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)控制，利用功率控制技術和MAC協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗傳輸。在基于LoRa的系統(tǒng)硬件設計中，SX1278作為無線收發(fā)器對無線傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸進行智能高效地控制，LoRa擴頻技術利用跳頻的方式做到了抵抗外部信號干擾，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的穩(wěn)定性等問題，LoRa通信技術適合于礦區(qū)遠程抄表系統(tǒng)的硬件設計，并且能夠達到很好的示范作用。