基于LoRa的礦區遠程抄表系統的設計

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，所以借助物聯網技術能夠提高系統測量精度，能更好地維護系統的高效運行。利用物聯網技術對礦區系統的數據信息傳輸與處理，實現對礦區系統設備正常運行的智能監控與管理，從而使礦區的整個系統管理更加完善，更加高效。

礦區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器，具有易嵌入、低功耗、傳輸范圍廣、組網容量大、接受信號靈敏度高等優勢，因此可以實現該技術在電力行業遠程抄表系統中的智能應用，解決傳統方式抄表數據不精確、工作煩瑣，效率不高等問題，采用LoRa數據傳輸原理可以實現信號的遠距離高效傳輸。窄帶物聯網LoRa技術符合礦區遠程抄表網絡數據傳輸的要求，能很好地解決礦區遠程抄表系統中仍然存在的各種問題。例如：在礦區遠程抄表系統實現數據采集與傳輸的時候，就需要利用傳遞信號性能好、穩定性強、能耗量低的網絡技術，LoRa技術的多方面優勢都能滿足系統高效運行的需要。因此基于LoRa技術的硬件設計系統能很好地改善礦區遠程抄表系統的現狀，使礦區遠程抄表系統更加高效、準確。

1 系統方案設計

1.1 LoRa通信技術

LoRa既是通信物理層也是創建遠程通信鏈路系統的無線調制方式[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據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種數據包結構，利用其不同的模式實現數據的高效傳輸。

本系統的設計方案在于利用LoRa技術對礦區遠程抄表系統中的信息采集終端進行數據采集、傳輸、監控等[2]，礦區遠程系統的構成包括信息處理電路、傳感器、高精度的傳感模塊等，作為智能數據的采集終端、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、風向傳感器等現場采集數據的處理以及無線數據傳輸模塊的硬件設計，來實現數據信息采集，然后將收集到的信息數據傳送到服務區的基站，并由基站對接收到的信息進行分析處理，最后發送到服務器終端，從而完成整個無線自動抄表系統的操作。

1.2 LoRa的網絡體系架構

礦區遠程抄表系統不僅包括對礦區的用電管理方面的調度，而且包括對礦區機電設備的運行狀態的實施檢測。如圖1所示的礦區遠程抄表系統中，終端節點就代表著礦區中承擔各種操作運行的高精度智能傳感器硬件模塊，它們管理并時刻監控著礦區的運行，由各種傳感器終端硬件設備配合LoRa技術的智能操作，反映著礦區運行的狀態。因此需要基于窄帶物聯網技術實現礦區的前端數據處理，作為整個系統數據信息傳輸的中介，選擇LoRa技術作為系統硬件的網關部分，實現對傳感器數據模塊的數據信息傳遞，經抄表服務器中心數據處理分析后，就可以智能地控制系統設備的正常運行，從而達到對礦區系統的實時監控。

圖1 礦區遠程抄表系統架構圖

LoRa技術的網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個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信。在礦區遠程抄表系統中，終端嵌入LoRa通信模塊，可以利用LoRa的雙層模式實現對數據的實時監控。通過LoRa技術將數據發送至局域網基站，并由基站將數據傳輸至PC端或其他網絡設備上，由Ⅰnternet網絡將數據傳輸至服務器中心，相應服務器對數據進行分析，從而實現遠程抄表。

2 LoRa關鍵技術

2.1 數據傳輸原理

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

2.2 低功耗無線數據傳輸技術

目前LoRa技術采用的功耗控制方式為功率控制技術和調整MAC協議，功率控制技術的原理是根據實際網絡的動態變化，通過控制網絡中節點的發出功率，自動調節網絡參數，以達到整個系統實現低功耗的要求。調整MAC協議的原理是防止網絡節點數據發生沖突重傳的情況下，通過關閉節點的射頻收發模塊，使節點盡可能長的處于休眠狀態，當需要進行數據傳輸時，通過喚醒機制喚醒節點進行數據傳輸。

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

無線網絡傳輸系統的MAC協議實現低功耗的方式是采用避免數據傳輸沖突和降低空閑監聽功耗[5]，避免數據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絡中，節點在接受傳輸數據之前，先要隨機地延遲一段時間，用來防止多個節點可能同時檢測到信道空閑進行數據傳輸時產生沖突。RTS/CTS機制中當節點需要傳輸數據時，首先通過控制信號握手，握手通過后才能進行數據傳輸，在進行數據傳輸之前由節點發出一個復位信號，該信號包括了目的節點的地址和所用信道占用的時長，目的節點在接收到復位信號后，會相應地發出反饋信號，以表示準備接收數據傳輸。發送方在接收到目的節點的反饋信息后，開始傳輸數據。這個過程中只有當目的節點與發送節點同時確認所發信號后，才能開始進行數據傳輸，有效地避免了其他節點發出的信息發生沖突，從而做到降低能耗。

2.3 SX1278性能

SX1278經常作為無線傳輸系統的硬件設計，相當于是系統中各節點的無線收發器。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勢，承擔著對無線傳輸硬件系統中通信電路的控制。圖2是無線信號傳輸模塊硬件設計中的無線收發器結構圖，SX1278是無線信號收發核心[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提供合適的頻段信號和時鐘脈沖，SX1278收發器利用其半雙工模式工作，使其接收數據工作與發送數據工作分開進行，依據系統射頻轉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，實現數據的接收和發送方式是通過將信號進行調制或解調并通過天線以電磁波的形式傳輸，從而實現礦區遠程抄表系統中無線數據傳輸的便捷性、高效性。

圖2 無線收發器結構圖

3 LoRa的擴頻調制技術

LoRa擴頻調制技術也稱LoRa跳頻技術[1]，擴頻技術的含義是指在數據傳輸中擴展數據信息的頻譜，使通信過程中數據信息所用的頻帶寬度大于信息本身所占的頻帶寬度。擴頻技術實現通信數據展頻的方式是通過對獨立的碼序列進行編碼和調制來實現的，與所傳輸的數據信息本身無關。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制，也就是完成一次跳頻[6]。跳頻的發射和接收的地址編碼都在起始規定的信道內開始的，在發射機第一次發射出同步的前導碼和報頭之后，產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。在系統完成一次跳變之后，會自動啟動信道上的計數器進行同步計數，完成一個跳變周期之后，會再一次產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據傳輸速率、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遠程抄表系統的硬件部分，利用雙層物理結構實現礦區遠程抄表系統的智能數據控制，利用功率控制技術和MAC協議實現系統的低功耗傳輸。在基于LoRa的系統硬件設計中，SX1278作為無線收發器對無線傳輸系統的數據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，提高系統數據傳輸速率的穩定性等問題，LoRa通信技術適合于礦區遠程抄表系統的硬件設計，并且能夠達到很好的示范作用。