Lora通信技術在故障指示器中的應用

嚴鴻鵬，胡 可，胡龍源

（平高集團智能電力科技有限公司 河南 平頂山 467000）

1 引言

現(xiàn)有的架空線路故障定位系統(tǒng)產品，采集單元和匯集單元之間的通信方式是RF射頻433M無線，每個匯集單元標配一個GPRS遠程通信模塊，及時有效地將線路運行狀態(tài)信息上傳至通信主站。由于每個安裝站點頻繁的與主站通信，不但增加了主站的負擔，而且產生大量的GPRS流量費，導致整個架空線路故障指示器的成本會比較高，此外，在一些信號不好的地區(qū)，無法實現(xiàn)每個站點都能與主站通信。

LoRa全稱是Long Range，即遠距離的意思，由semtech公司研發(fā)并推廣的一種低功耗局域網(wǎng)無線標準，特點是在相同的功耗下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線通信射頻通信距離擴大3～5倍，已成功應用于遠程抄表、智慧停車、智慧農業(yè)等領域。今年初，隨著中國LoRa應用聯(lián)盟（CLAA）的成立，LoRa技術的CLAA網(wǎng)絡架構方案已經形成，國內LoRa網(wǎng)絡部署全面起跑，可以預見未來中國LoRa網(wǎng)絡有著廣闊的前景[1]。

2 LoRa技術特點

LoRa采用星形的網(wǎng)絡結構，與網(wǎng)狀結構相比，其具有最簡單的網(wǎng)絡結構和最小的傳輸延遲。該技術具有以下特點：

（1）長距離：1～20 km。

（2）節(jié)點數(shù)：萬級，甚至百萬級。

（3）電池壽命：3～10年。

（4）數(shù)據(jù)速率：0.3～50 kbps。

3 LoRa的優(yōu)勢

3.1 大大的改善了接收的靈敏度，降低了功耗

LoRa采用線性擴頻調制技術，高達157 db的鏈路預算使其通信距離可達15 km(與環(huán)境有關)。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

3.2 基于該技術的網(wǎng)關/集中器支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大

網(wǎng)關是節(jié)點與IP網(wǎng)絡之間的橋梁(通過2G/3G/4G或者Ethernet)。每個網(wǎng)關每天可以處理500萬次各節(jié)點之間的通信(假設每次發(fā)送10 Bytes，網(wǎng)絡占用率10%)。如果把網(wǎng)關安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率20 dBm(100 mW)，那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2 km左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達10 km。

4 LoRa通信技術在故障指示器中的應用

LoRa通信技術在故障指示器中主要應用于數(shù)據(jù)傳輸當中，但如何將LoRa與故障指示器相結合，提供具有高可靠性的LoRa網(wǎng)絡結構，將是研究的一大難點。以下介紹三種LoRa技術與故障指示器的結合方案[2]。

圖1 方案一LoRa技術與故障指示器的結合方案

方案一：在同一個區(qū)域內的故障指示器，通過LoRa網(wǎng)絡將采集單元數(shù)據(jù)上傳至匯集單元，匯集單元再通過運營商（2G/3G/4G）匯總到主站的服務器，如圖1所示。

圖2 方案二LoRa技術與故障指示器的結合方案

方案二：在同一個區(qū)域內的故障指示器，通過433M模塊將數(shù)據(jù)上傳至匯集單元（每一臺匯集單元內嵌入LoRa模塊）。由匯集單元通過GPRS網(wǎng)絡遠程傳輸?shù)酵ㄐ胖髡?。當某個匯集單元無法成功連接到主站時，可自動連接相鄰的匯集單元，通過該匯集單元上傳數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖3 方案三LoRa技術與故障指示器的結合方案

方案三：在同一個區(qū)域內的故障指示器，通過433M模塊將數(shù)據(jù)上傳至匯集單元（每一臺匯集單元內嵌入LoRa模塊）。由匯集單元組成自組網(wǎng)網(wǎng)絡單元，當某臺匯集單元與上一級匯集單元通信異常，自動連接同一級節(jié)點的匯集單元，并將信息傳給該匯集單元，由該匯集單元將信息傳到上一級節(jié)點，從而到終節(jié)點。終節(jié)點匯集單元將所有數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡上傳至主站，如圖3所示。

方案一系統(tǒng)結構簡單，無法有效降低運行成本。在數(shù)據(jù)并發(fā)或者在信號弱的地區(qū)，數(shù)據(jù)易丟失。

方案二針對方案一的單個安裝點數(shù)據(jù)易丟失問題做了優(yōu)化，安裝點之間能夠通信，提高了數(shù)據(jù)通信可靠性，但沒有改善運行成本及減小主站負擔。

方案三針對方案二又做了進一步優(yōu)化，所有安裝點都是自組網(wǎng)網(wǎng)絡單元，大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。此外，只有終節(jié)點配有GPRS模塊，所有信息通過該節(jié)點遠程上傳到主站，大大減小了主站的負擔，而且顯著降低了運營成本。

5 結語

LoRa通信技術在無線傳輸方面具有長距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點等特點，在故障指示器中作為網(wǎng)關可提高數(shù)據(jù)的通信可靠性，并大大降低主站的負擔與運營成本。但LoRa技術擴頻后的通信帶寬窄，因此傳輸速率低，在需要快速傳輸數(shù)據(jù)的故障定位系統(tǒng)中是否具有優(yōu)勢還需進一步研究。