ChirpLAN低功耗協議在智能水表上的應用

摘 要：在智能水務中，無線抄表方案存在無線穿透能力欠佳、無線功耗較大等問題，并且需要契合國家針對民生工程的國產化要求。為此，在一個居民樓的試點改造工程里，借助國產的無線通信技術ChirpLAN低功耗協議，精心設計并推行了一套水表無線采集、控制及傳輸的管理系統。經實際產品測試，該無線系統的穿透性和功耗均滿足施工方需求。實踐證明，國產的ChirpLAN低功耗協議完全能夠滿足智能水務無線化的功能和性能要求，對智能水務的國產無線解決方案具有重要的參考意義。

關鍵詞：ChirpLAN；國產LoRa；ChirpIoT；低功耗；無線抄表；MAPM；智能水務

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-07

0 引 言

近些年，隨著物聯網、人工智能和大數據的日益成熟，智能水表集抄系統逐漸向全無線抄收升級。然而，目前很多水表仍采用人工抄表方式。許多居民用戶的水表由于早期安裝時未考慮智能化升級改造需求，若要重新改造則涉及重新布線、電源整改，施工的復雜度和成本費用都制約著智能化水表的應用。隨著智慧城市信息化管理要求的提高，智能水務將成為智慧城市管理信息化水平的標志之一，而無線通信是智能水務中的核心技術。但無線通信的穿透性、穩定性、功耗和成本等因素制約著其在該領域的應用。近些年，國內半導體芯片公司不斷發展，催生了許多不錯的技術。現有的智能水表中，已用到了NB-IoT、LoRa、ZigBee等無線通信技術[1-3]。此外，近些年在一些涉及民生領域的工程中，芯片國產化、系統采用的芯片自主可控也變得尤為重要。為此本文嘗試研究基于國產無線通信芯片的ChirpLAN低功耗協議在智能水表中的應用與實踐。

1 系統總體設計

本系統主要對某試點小區整棟居民樓的水表信息進行監控。其功能包括將終端用戶水表采集的數據上報給自來水管理系統，同時監控居民用戶水表的工作狀態是否異常，還可對水表的遠程供水閥門加以控制。因為該系統屬于改造項目，要盡可能避免線纜改造，所以需要一種無線解決方案。本系統采用上海磐啟微電子有限公司自主研發的ChirpIoT芯片PAN3029，并基于其研發的ChirpLAN協議開展系統開發與實施工作。鑒于大部分現有的水表端沒有市電接口供電，所以采用電池供電的方案，這就需要考慮系統低功耗的要求。本系統依據實際項目要求，重點采用ChirpLAN協議低功耗部分的Mode B模式進行實際應用。

本系統是智能水表管理系統[4]的一部分，主要負責無線組網和傳輸控制工作，采用現有的智能水表作為電表。系統結構如圖1所示。

該系統主要包含三個部分：

（1）無線水表采集控制單元：負責采集水表信息，經由無線網關接入單元將信息上報給自來水處理單元，同時接收來自自來水控制單元的控制信息。每個試驗點一棟樓的采集控制單元數量為50個，這一數量主要受樓層高度和住戶個數的限制。

（2）無線網關接入單元： 網關一側通過ChirpIoT網絡與水表采集單元通信，另一側則通過以太網與自來水數據處理單元的云服務器進行數據交互。在試點過程中，由于采用的ChirpIoT通信技術在樓宇內覆蓋范圍廣，所以試點樓棟僅需一個網關接入單元就能與整棟樓的50個采集控制單元進行通信。

（3） 自來水數據的處理單元：該部分屬于自來水業務層的云服務端。本系統只需通過Internet按照規定協議命令與其交互，完成相應業務邏輯即可。若要進行Internet訪問，則通過網關端的以太網接入即可。

2 硬件部分設計

硬件部分主要分為無線水表采集單元、無線網關接入單元，核心部分是無線通信部分。下面介紹關鍵硬件模塊的設計。

2.1 水表采集控制單元

水表采集控制單元主要放置于水井房中，采用電池供電，水表采用現有成熟的智能水表，其可以將用水量通過UART上傳，并且可以控制水閥開閉。UART數據被傳送到MCU主控芯片，然后MCU通過SPI接口控制無線模塊PAN3029，以實現整個系統的無線通信和控制，同時確保一些低功耗策略和ChirpLAN網絡協議的運行。水表采集控制單元框圖如圖2所示。

2.2 水表端無線通信單元

在無線通信部分，水表端有著極為苛刻的低功耗要求。為此，本系統選用了上海磐啟微電子有限公司自主研發的第二代類LoRa技術[5]芯片PAN3029。這一芯片屬于低功耗遠距離無線收發芯片，采用ChirpIoT調制解調技術，支持半雙工無線通信，工作頻段為408～565 MHz以及816～ 1 080 MHz。它具備高抗干擾性、高靈敏度、低功耗和超遠傳輸距離等特性，靈敏度最高可達-143 dBm，最大輸出功率為20 dBm，能夠產生業界領先的鏈路預算，這使其成為遠距離傳輸以及對可靠性要求極高的應用的最佳選擇。此外，該芯片為純國產，擁有獨立自主的知識產權。該芯片的核心指標見表1。

本系統采用的是SPI接口，圖3所示為無線模塊和MCU的電路設計。

2.3 無線網關接入單元

網關模組是一款基于PAN3029芯片設計的單天線多通道收發網關模組。其內置M4處理器，集成PA、LNA，可高效完成ChirpIoT數據的收發工作。該模塊工作于470～ 510 MHz頻段，支持速率自適應和通信數據AES加密功能。用戶能夠通過SPI接口驅動此模塊，并且網關模塊支持RF數據接收、數據發送、參數配置等接口，便于用戶使用。此網關模組具備諸多特性，可廣泛應用于一對多星型網絡[6]，支持大容量終端節點網絡，支持ChirpLAN Mode A/B/C協議，適用于多應用場景。網關模組內置8個PAN3029，其中1個為前級，7個為后級。前級既可用于接收，也可用于發送，而后級只能用于接收。網關的核心硬件框圖如圖4所示。

在多通道網關模塊外部再接一個主控單元，該主控單元上集成以太網、USB等用戶接口，如此便能實現整個網關的全部功能。在本項目中，依據業務邏輯需求，選用小巧的樹莓派作為主控，最終實現的網關整機如圖5所示。

3 軟件部分設計

軟件部分主要涉及水表的采集傳輸、控制，網關端與各采集單元的通信，以及水表與云端的數據交互。采集控制屬于較為成熟的技術，在此不過多闡述。本系統的一個主要特點是低功耗組網技術，所以重點介紹低功耗通信組網部分。通信包括組網和傳輸，組網協議采用上海磐啟微電子有限公司ChirpLAN無線通信協議的低功耗模式（Mode B），并針對不同采集單元進行不同的應用與介紹。

3.1 無線通信協議

ChirpLAN目前是一種基于ChirpIoT?通信技術[7]的網絡通信協議，采用按需可靠的數據收發機制，適用于遠距離低功耗的小型局域網（LAN）。該協議支持Mode A/B/C等不同模式。本系統根據需求，采用Mode B模式。下面介紹該模式的工作機制。

Mode B模式定義為周期同步模式，支持的功能說明如下：

（1）Mode B系統執行周期分為下行時隙和上行時隙。在下行時隙中，網關用于下發Beacon以及向終端下發數據，并且通過MAPM功能可以喚醒終端（在下行時隙，終端開啟周期性CAD喚醒監聽功能）。在上行時隙，終端會根據入網分配的上行時隙，在各自的上行時隙發送數據，是否需要上行數據由網關BC廣播中的上行標志決定。

（2）終端具有較低的功耗，能夠實現數據按需有序上行，且可以在下行時隙實時被喚醒，在低功耗和實時性方面實現了完美結合。

（3）終端入網后會自動與網關實現時鐘同步，并周期性地接收Beacon，從而實現終端與網關保持時間同步。時序圖如圖6所示。

上行時隙流程如下：

（1）為了避免終端同時上行，導致終端相互干擾、信道擁擠、收包率降低，在終端入網時，網關會根據各終端的ID分配對應的上行時隙號，終端只有在自己規定的時隙號到達時才能發送數據。

（2）上行時隙的時隙長度由終端使用的RF參數和發包長度決定，推薦值最小應不小于終端的發包時間。

（3）可以根據實際應用中終端數量及上報周期的需求來調整上行時間長度。

下行時隙空中喚醒功能示意圖如圖7所示。

3.2 水表采集控制單元軟件設計

水表采集單元部分對低功耗有著很高的要求。PAN3029芯片針對此類組網低功耗應用，設計了一種特殊的地址匹配模式：MAPM（Multi-Address Preamble Mode）。這種模式的核心思想為在芯片的硬件層面實現不同終端地址的喚醒匹配，這最大程度地減少了終端射頻接收端的開窗時間，并且盡可能保證了終端通信的實時性。MAPM的通信時序如圖8所示。

水表端實際進行射頻工作時，與網關配合的時序圖示意圖如圖9所示。多個水表定時喚醒，喚醒后射頻打開一個很小的窗口。網關會周期性發送一個較長的喚醒前導碼，若水表檢測到當前喚醒數據為自己的ID，則繼續接收無線數據直至接收完畢，同時在自己的上行時隙中將數據發送給網關。如此既確保了通信的實時性，又降低了系統功耗。

3.3 無線網關接入單元軟件設計

網關端需要實現以下功能：接收終端數據并將其轉發到云端相關業務流程；完成不同接收信道的網關內置組網邏輯，以支持終端入網功能；建立合理的信道分配機制，使各通信子卡工作負載均衡。在本系統中，網關只需支持終端的一種工作模式，即Mode B模式（周期同步模式）。

網關內置以太網模塊，具備Internet上網功能。其與云端通信的主要協議為基于MQTT的通信協議[8]，通過該協議完成業務邏輯數據的透傳。此外，為方便調試和后期維護，網關支持Web配置及固件升級（OTA）[9]功能。網關的軟件設計框圖如圖10所示。

網關的業務邏輯流程如圖11所示。

4 系統測試與分析

本系統有兩個很重要的性能指標：一是覆蓋范圍，通過通信距離來衡量；二是低功耗要求，通過功耗來衡量。下面主要分析這兩個數據指標。

4.1 通信距離收包率測試

由于水表端都在水井房放置，而且一棟樓里只有一個網關，網關與整棟樓的不同水表之間要穿越不同樓層，所以穿樓測試距離是一個很重要的指標。本項目將網關放到整棟樓的中間樓層，需要保證穿樓性能達到6層才可以滿足施工方的要求。測試條件：發射端發射100包數據，每包10個字節數據，通過接收端統計收包率來評估通信狀況。系統測試結果見表2。

從目前不同樓層的測試數據來看，收包率均能達到99%以上。就目前的應用而言，這是比較符合要求的。

4.2 功耗分析

水表端對功耗要求比較高，因此重點分析無線通信模組的功耗。影響功耗的主要因素包括基本的靜態工作電流以及模組休眠喚醒的工作間隔[10]，后者最終會影響系統的平均功耗和數據的實時性。表3為水表端無線模組在不同工作間隔下的平均功耗數據。

根據上面的數據，將工作間隔和平均功耗的關系繪制成一個二維關系圖，如圖12所示。

項目要求平均功耗不得超過15 μA。從表3和圖12中能夠看出，當工作間隔時間達到4.5 s時，平均功耗便小于15 μA。因此，可以依據系統應用來設置工作間隔。在本次應用中，選擇工作間隔為5 s，此時平均功耗為13.5 μA。

5 結 語

本文簡要介紹了基于國產無線芯片的ChirpLAN低功耗協議在智能水表系統中的應用。系統主要包含組網、采集、數據傳輸和控制等部分。憑借PAN3029的遠距離穿透性和低功耗組網兩大特性，將其成功應用到無線智能水表的改造工程中，為水表的智能化無線應用提供了一種基于國產芯片的解決方案。

參考文獻

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收稿日期：2024-05-19 修回日期：2024-06-24