基于LoRaWAN的無線預付費系統方法設計與應用

發布時間： 2022-01-14　　點擊次數： 1177次

王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：以LoRa為代表的低功耗、遠距離網絡技術的出現，有效解決了物聯網復雜組網和高功耗的難題。為進一步降低基于LoRaWAN的無線抄表系統的功耗，同時針對ZigBee、紅外等無線技術在抄表方案中存在通信距離短，通過對LoRaWAN無線標準協議的研究，將MCU系統和LoRa技術相結合，設計了一種基于LoRaWAN無線通訊技術的智能抄表系統。首先介紹無線抄表系統的硬件組成和功能模塊的作用，其次介紹節點軟件設計過程，得出結論，該系統實現了降低功耗的作用。

關鍵詞: LoRa；物聯網；低功耗；遠距離；LoRaWAN

0引言

低功耗廣域網絡技術（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種物聯網無線接入新技術，具有低功耗、網絡擴展性強、通信距離遠等優點。LoRa（Long Range）作為一種非授權頻譜的LPWAN無線通信技術，以廣覆蓋、低功耗等特點受到了廣泛關注。LoRa是一種由LoRa聯盟推出的遠距離通信系統，主要包含物理層和MAC層（即LoRaWAN），如圖1所示。

圖1 LoRa層結構

LoRa物理層采用線性調頻技術（CSS，Chirp Spread Spectrum），適用于遠距離、低功耗、低吞吐量的通信。LoRaWAN由LoRa聯盟發布，是一種基于開源的電信級MAC層協議。LoRa是一項私有技術，工作在未授權頻段，使用免費的ISM頻譜，具體頻段及規范因地區而異。LoRa作為非授權頻譜LPWAN技術典型代表，有廣泛的應用場景，如太陽能路燈照明管理系統、遠距離無線抄表系統等。隨著智慧城市的發展，遠距離無線抄表技術將在智能抄表應用中起到非常重要的作用。終端儀表由于無法保證持續的外部電能供應，只能依靠電池供能，所以在運行過程中盡可能降低平均功耗，才可以保證不間斷的長期工作。顯然，只降低發射機的發射功率，或者只降低接收機的功耗電流是不現實的。這種方法的效果不但不明顯，還會帶來通信質量下降的惡劣后果。在現有的無線抄表系統中，當通信設備不工作于發射或接收模式時，使其進入休眠狀態，是降低平均功耗有效的方法。當集中器或網關需要和某個終端儀表通信時，處于休眠狀態的終端設備將被喚醒，轉換成發射或接收模式，實現交換數據的功能。

1 總體設計

LoRaWAN主要包含三個部分：節點、網關、服務器。節點負責數據的采集，將采集的數據打包上傳給網關。網關負責數據包的轉發，包括將節點上傳的數據轉發給服務器和將服務器的下行命令轉發給節點。服務器負責數據解析和下發控制命令。整體結構如圖2所示：本文設計的低功耗無線通信系統包含一個命令下發設備（服務器）、一個命令數據中轉設備（網關）和若干個終端設備（節點）。

圖2 LoRaWAN網絡模型

在系統正常運行的狀態下，網關使用市電供電；由于節點所處的位置，環境復雜多變，無法保證使用市電進行供電，因此只能使用電池供電。為了維持節點的長時間穩定工作，就需要在盡可能長的時間內處于低功耗模式。節點在低功耗模式下只能被動接收數據，不能主動發送數據。一旦節點被喚醒，處于正常的工作狀態，就可以接收和發送數據。服務器的主要功能是給網關下發控制命令，網關的主要功能是喚醒節點并且轉發服務器下發的控制命令，并上傳節點的數據給服務器。當集中器給某終端設備發送數據時，首先需要將處于睡眠狀態的終端設備喚醒，再進行通信。終端表設備接收到喚醒幀后，通過判斷喚醒幀中的終端地址是否與該終端設備的地址相同，來決定此終端表設備是否準備開啟接收模式。如果喚醒幀中的終端地址與該終端表地址不相同，則丟棄此喚醒幀，終端表設備繼續處于低功耗模式，開啟周期性檢測信道空閑功能。如果相同，終端表設備會根據喚醒幀中的時間標簽在低功耗模式下進行一段時間的延時，當延時時間結束，立刻開啟接收模式。

2硬件設計

硬件包含網關與節點，采用意法半導體公司基于Cortex M3內核的32位高性能超低功耗微控制器STM32F103作為網關，該芯片工作頻率可達72MHz，具有512KB的閃存以及高速SRAM，性能強勁，實時性好。同時該芯片有睡眠模式、停止模式和待機模式3種低功耗工作模式，以及創新型自主動態電壓調節功能，方便了系統低功耗設計，可以滿足無線抄表的各種需求。網關需要搭載LoRa芯片以及與服務器通信的通信模塊。MCU控制單元是智能水表的控制器，起著決定性的作用。節點采用低功耗MCU與傳感器、控制器相連，單個節點只搭載單個傳感器，電池采用高容量低功率類型的電池。設計采用Semtech公司推出的低功耗半雙工高靈敏度的SX1278收發器作為節點。SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數據傳輸模塊，采用LoRa擴頻調制解調技術，其傳輸距離遠遠超過使用FSK等調制解調技術，能夠降低網絡部署成本，易于管理和監控。具有傳輸距離遠、信號穿透性強、數據接收和發送穩定等特點。同時，SX1278軟件配置具有很大的靈活性，用戶可通過程序決定擴頻調制帶寬(BW)、糾錯率(CR)和擴頻因子(SF)。

圖3 硬件總體框圖

3軟件設計

無線通信系統在正常運行時，首先網關和節點進入到硬件初始化階段，節點完成硬件初始化后進入低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測。此時檢測信道是否空閑，如果信道空閑，則此節點繼續處于低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測。在某一時刻由服務器向網關的GPRS模塊下發抄表命令，網關接收到抄表命令后進行解析，通過解析后的命令內容生成用來喚醒特定節點的喚醒幀。網關會通過無線設備發送持續一定時間長度的喚醒幀，在此時間段內，節點將配置成無線接收模式，接收網關發送的喚醒幀。喚醒幀中包含節點地址和時間標簽，判斷喚醒幀中設備地址是否和此設備地址相同，如果不相同則丟棄此喚醒幀；如果相同，則提取此喚醒幀中的時間標簽，通過時間標簽計算出將此節點切換為低功耗模式的延時時長，進行延時，一旦延時時長結束，立刻將此節點配置成無線接收模式，直至接收到網關發送的命令。當接收到網關發送的命令后，解析抄表命令，獲取此終端節點的數據，將此數據發送給網關，完成通信過程。當節點將數據發送給網關后，將此節點配置成低功耗模式，周期性開啟信道空閑檢測，整個無線通信系統運行的流程如圖4所示。

圖4 低功耗無線抄表方法流程圖

如圖5所示，節點和網關在t0時刻進行硬件初始化，節點在t1、t2、t4、t9時刻開啟信道空閑檢測。而節點的無線模塊會通過RTC時鐘定時，周期性開啟信道空閑檢測，因此圖中t1-t0=t2-t1=t4-t2=t9-t8。在t0到t1、t1到t2、t2到t4、以及t8到t9的時間段內，終端設備的無線模塊都會處于睡眠模式。

圖5 低功耗無線抄表方法時序圖

在t3時刻時，網關接收到服務器發送過來的抄表命令，同時生成喚醒特定節點的喚醒幀，其中包含節點地址和時間標簽。t3時刻網關開始發送喚醒幀，t6時刻完成喚醒幀的發送。節點在t4時刻處于信道空閑檢測模式，因此在t4時刻特定節點被喚醒，此時該節點處于無線接收模式，用來接收后續網關發送的命令。網關發送的抄表命令是在t7時刻，為了降低功耗在t4到t5的時間區間內使節點處于*低功耗模式（MCU 進入Halt模式，無線模塊進入睡眠模式）來降低功耗。若喚醒幀中的時間標簽值為TL，時間標簽值允許的個數為TLN，t4到t5的時間區間長度為DST：