基于LoRaWAN的無線預付費系統(tǒng)方法設計與應用

     周曉麗

    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(wǎng)絡技術的出現(xiàn),有效解決了物聯(lián)網(wǎng)復雜組網(wǎng)和高功耗的難題。為進一步降低基于LoRaWAN的無線抄表系統(tǒng)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、抗干擾能力弱的缺陷,通過對LoRaWAN無線標準協(xié)議的研究,將MCU系統(tǒng)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(tǒng)。首先介紹無線抄表系統(tǒng)的硬件組成和功能模塊的作用,其次介紹節(jié)點軟件設計過程,得出結論,該系統(tǒng)實現(xiàn)了降低功耗的作用。
    關鍵詞: LoRa;物聯(lián)網(wǎng);低功耗;遠距離;LoRaWAN
     
    0引言
           低功耗廣域網(wǎng)絡技術(LPWAN,Low Power Wide Area Network)是一種物聯(lián)網(wǎng)無線接入新技術,具有低功耗、網(wǎng)絡擴展性強、通信距離遠等優(yōu)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(lián)盟推出的遠距離通信系統(tǒng),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(lián)盟發(fā)布,是一種基于開源的電信級MAC層協(xié)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(guī)范因地區(qū)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(tǒng)、遠距離無線抄表系統(tǒng)等。隨著智慧城市的發(fā)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(xù)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**機的**功率,或者只降低接收機的功耗電流是不現(xiàn)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(xiàn)有的無線抄表系統(tǒng)中,當通信設備不工作于**或接收模式時,使其進入休眠狀態(tài),是降低平均功耗有效的方法。當集中器或網(wǎng)關需要和某個終端儀表通信時,處于休眠狀態(tài)的終端設備將被喚醒,轉換成**或接收模式,實現(xiàn)交換數(shù)據(jù)的功能。
     
    1 總體設計
           LoRaWAN主要包含三個部分:節(jié)點、網(wǎng)關、服務器。節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集,將采集的數(shù)據(jù)打包上傳給網(wǎng)關。網(wǎng)關負責數(shù)據(jù)包的轉發(fā),包括將節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉發(fā)給服務器和將服務器的下行命令轉發(fā)給節(jié)點。服務器負責數(shù)據(jù)解析和下發(fā)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(tǒng)包含一個命令下發(fā)設備(服務器)、一個命令數(shù)據(jù)中轉設備(網(wǎng)關)和若干個終端設備(節(jié)點)。

    圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡模型
     
           在系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下,網(wǎng)關使用市電供電;由于節(jié)點所處的位置不一,環(huán)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(jié)點的長時間穩(wěn)定工作,就需要在盡可能長的時間內處于低功耗模式。節(jié)點在低功耗模式下只能被動接收數(shù)據(jù),不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦節(jié)點被喚醒,處于正常的工作狀態(tài),就可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。服務器的主要功能是給網(wǎng)關下發(fā)控制命令,網(wǎng)關的主要功能是喚醒節(jié)點并且轉發(fā)服務器下發(fā)的控制命令,并上傳節(jié)點的數(shù)據(jù)給服務器。當集中器給某終端設備發(fā)送數(shù)據(jù)時,首先需要將處于睡眠狀態(tài)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(xù)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(jù)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(wǎng)關與節(jié)點,采用意法半導體公司基于Cortex M3內核的32位高性能低功耗微控制器STM32F103作為網(wǎng)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,以及型自主動態(tài)電壓調節(jié)功能,方便了系統(tǒng)低功耗設計,可以滿足無線抄表的各種需求。網(wǎng)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(jié)點采用低功耗MCU與傳感器、控制器相連,單個節(jié)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(fā)器作為節(jié)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(shù)據(jù)傳輸模塊,采用LoRa擴頻調制解調技術,其傳輸距離遠遠過使用FSK等調制解調技術,能夠降低網(wǎng)絡部署成本,易于管理和監(jiān)控。具有傳輸距離遠、信號穿透性強、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送穩(wěn)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(tǒng)在正常運行時,首先網(wǎng)關和節(jié)點進入到硬件初始化階段,節(jié)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(jié)點繼續(xù)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(wǎng)關的GPRS模塊下發(fā)抄表命令,網(wǎng)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(jié)點的喚醒幀。網(wǎng)關會通過無線設備發(fā)送持續(xù)一定時間長度的喚醒幀,在此時間段內,節(jié)點將配置成無線接收模式,接收網(wǎng)關發(fā)送的喚醒幀。喚醒幀中包含節(jié)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(jié)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(jié)點配置成無線接收模式,直至接收到網(wǎng)關發(fā)送的命令。當接收到網(wǎng)關發(fā)送的命令后,解析抄表命令,獲取此終端節(jié)點的數(shù)據(jù),將此數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關,完成通信過程。當節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關后,將此節(jié)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(tǒng)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(jié)點和網(wǎng)關在t0時刻進行硬件初始化,節(jié)點在t1、t2、t4、t9時刻開啟信道空閑檢測。而節(jié)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(wǎng)關接收到服務器發(fā)送過來的抄表命令,同時生成喚醒特定節(jié)點的喚醒幀,其中包含節(jié)點地址和時間標簽。t3時刻網(wǎng)關開始發(fā)送喚醒幀,t6時刻完成喚醒幀的發(fā)送。節(jié)點在t4時刻處于信道空閑檢測模式,因此在t4時刻特定節(jié)點被喚醒,此時該節(jié)點處于無線接收模式,用來接收后續(xù)網(wǎng)關發(fā)送的命令。網(wǎng)關發(fā)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(qū)間內使節(jié)點處于完全低功耗模式(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(shù)為TLN,t4到t5的時間區(qū)間長度為DST:

           t5時刻,節(jié)點開啟無線接收模式,t7時刻節(jié)點接收到網(wǎng)關發(fā)送的抄表命令,t8時刻節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關,至此完成網(wǎng)關到節(jié)點的通信過程,通信完成后節(jié)點再次進入到低功耗模式,并周期性開啟信道空閑檢測。至此完成了一次完整的通信過程。 
     
    4安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
    4.1 系統(tǒng)方案
           系統(tǒng)為B/S架構,主要包括**管理網(wǎng)站和后臺集抄服務,配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列,實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng),達到先交費后用水的目的,剩余水量用完自動關閥。

    4.2 系統(tǒng)功能
           AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關-預付費電能表組成,通過通信網(wǎng)絡完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
           本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè),往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理,面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸,財務操作分散,在線支付,總部財務扎口等復雜的需求。


           遠程集中抄表:抄表信息通過網(wǎng)關實時上傳到云平臺,便捷,免去人工抄表 。

           水表預付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息,并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。

           遠程售電:財務集中管理,電量實時下發(fā),并比對充值次數(shù),方便快捷。




           能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況;可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表,包含用戶表的能耗、財務數(shù)據(jù)、能耗和財務的期初期末值等數(shù)據(jù)。

           在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費,也可以實時關注商鋪用水用電情況。

           短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒,都可及時短信通知商戶。
     
     
           遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作,方便管理。
     
    4.3 產(chǎn)品選型


    5結束語
           在無線通信系統(tǒng)的整個通信過程中,節(jié)點的主要耗能階段是開啟接收模式和開啟發(fā)送模式這兩個過程,經(jīng)過本文的設計和優(yōu)化,大大縮短了這兩個過程的持續(xù)時間。因此通過這種抄表方法可以降低通信系統(tǒng)的功耗,增加終端節(jié)點的電池使用壽命。
     
    【參考文獻】
    【1】雷婧, 李紅信.基于LoRaWAN的無線低功耗抄表方法設計
    【2】王陽,溫向明,路兆銘.新興物聯(lián)網(wǎng)技術—LoRa[J].信息通信技術,2017,2:55-59.
    【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06
     
    作者簡介:周曉麗,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為智能光伏采集裝置

    安科瑞電氣股份有限公司專注于智能照明控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng),電能質量治理系統(tǒng),安科瑞電氣,智慧用電云平臺,智能母線監(jiān)控,低壓母線測溫裝置等, 歡迎致電 15216751208

  • 詞條

    詞條說明

  • 工況用電監(jiān)管平臺--污染治理設施用電監(jiān)管系統(tǒng)

    環(huán)保用電監(jiān)管云平臺-工況用電監(jiān)管平臺1.?平臺概述1.1.?開發(fā)背景《大氣污染防治法》、《水污染防治法》、《土壤污染防治法》相繼頒行,《關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》、《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》等政策先后發(fā)布,為打好污染防治攻堅戰(zhàn)提供了堅實的法律和政策**。AcrelCloud-3000環(huán)保用電監(jiān)管云平臺依托的物聯(lián)網(wǎng)技術、電力參數(shù)傳感技術,實時采集企

  • 淺談IT系統(tǒng)在醫(yī)療配電場所的應用

    摘要:針對醫(yī)院對電力系統(tǒng)有很高的要求及使用特點,論述了醫(yī)院醫(yī)療場所的劃分以及不同場所的不同類型的電力系統(tǒng);詳細介紹了醫(yī)療IT系統(tǒng)和特點、(隔離電源)設備、剩余電流(漏電流)監(jiān)視設備的應用,以及醫(yī)用IT設備選擇時應注意的事**。關鍵詞:醫(yī)用IT糸統(tǒng)???? 醫(yī)療場所??? 應用1 概述????

  • 淺談*門監(jiān)控系統(tǒng)的原理與應用

    周曉麗安科瑞電氣股份有限公司?上海嘉定 201801摘要:本文從*門監(jiān)控系統(tǒng)的架構及各子系統(tǒng)的功能入手,介紹*門監(jiān)控系統(tǒng)的結構和原理。并以實際工程為例,具體介紹*門監(jiān)控系統(tǒng)在工程設計中的實施。關鍵詞: *門監(jiān)控系統(tǒng) 系統(tǒng)配置 模塊配置1 引言 *門是各類建筑中常用的可啟閉式*分隔 構件,是建筑內*分區(qū)、*間隔的重要組成部分。 在發(fā)生火災時, 能有效阻止火勢蔓延和煙氣擴 散

  • 商業(yè)小鎮(zhèn)遠程預付費電能管理系統(tǒng)的設計與應用

    周曉麗 安科瑞電氣股份有限公司,上海 嘉定 201801; 摘要:介紹商業(yè)小鎮(zhèn)遠程預付費電能管理系統(tǒng),采用智能預付費儀表進行遠程分合控制,達到預付費使用功能。系統(tǒng)采用現(xiàn)場就地組網(wǎng)的方式,組網(wǎng)后通過現(xiàn)場總線通訊并遠傳至后臺,通過Acrel-3200型遠程預付費電能管理系統(tǒng)實現(xiàn)配電回路用電的收費和能效管理。 關鍵詞:商業(yè)綜合體;預付費電能表;預付費電能管理系統(tǒng) ? ? 0 &nb

聯(lián)系方式 聯(lián)系我時,請告知來自八方資源網(wǎng)!

公司名: 安科瑞電氣股份有限公司

聯(lián)系人: 崔怡蒙

電 話: 021-69153573

手 機: 15216751208

微 信: 15216751208

地 址: 上海嘉定馬陸育綠路253號

郵 編:

網(wǎng) 址: acrel006.cn.b2b168.com

相關閱讀

汕尾廢舊物資回收價格 20KVA久保田動力柴油發(fā)電機組 揚州一體化箱泵生產(chǎn)廠家 配電柜溫度如何監(jiān)測 寶雞塑料信封袋 鄭州瀝青路面碾壓施工步驟 **2025年越南暖通、空調制冷、泵閥凈化展 通力變頻器維修KDL32 KM887286G01 【案例】尋跡智行助力鐵路行業(yè)運維養(yǎng)護智能化搬運 化學品安全技術說明書MSDS/SDS十六項內容是什么? 管家婆分銷ERP:質檢有多種管理模式,究竟該怎么選? 邢臺熱水鍋爐價格 泰安航空變頻電源生產(chǎn)廠家 湖州千分尺廠家 便攜式火工品箱:民用爆破工程的安全衛(wèi)士 電表電量采集管理系統(tǒng) 有源電力濾波器在醫(yī)療行業(yè)的應用及運行效果 一款光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電量測量裝置-可出口 電表如何實現(xiàn)遠程抄表 有源濾波器對用戶端用電質量的作用 關于常州市金壇區(qū)**部署安裝污染治理設施用電監(jiān)管系統(tǒng)的通知 配電房**監(jiān)控系統(tǒng) 直流電能正反向計量電表在充電樁計量案例解析 高校預付費管理系統(tǒng)的功能與運營模式 賀陜西省2018年度學術與信息交流年會圓滿成功 三相電子式多費率電能表費率設置方法 有源濾波器在醫(yī)療機構中的重要性及應用 交直流不接地系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的設計與開發(fā) 住宅小區(qū)電動汽車充電樁配置及收費平臺方案 自帶電能統(tǒng)計記錄功能電表
八方資源網(wǎng)提醒您:
1、本信息由八方資源網(wǎng)用戶發(fā)布,八方資源網(wǎng)不介入任何交易過程,請自行甄別其真實性及合法性;
2、跟進信息之前,請仔細核驗對方資質,所有預付定金或付款至個人賬戶的行為,均存在詐騙風險,請?zhí)岣呔瑁?
    聯(lián)系方式

公司名: 安科瑞電氣股份有限公司

聯(lián)系人: 崔怡蒙

手 機: 15216751208

電 話: 021-69153573

地 址: 上海嘉定馬陸育綠路253號

郵 編:

網(wǎng) 址: acrel006.cn.b2b168.com

    相關企業(yè)
    商家產(chǎn)品系列
  • 產(chǎn)品推薦
  • 資訊推薦
關于八方 | 八方幣 | 招商合作 | 網(wǎng)站地圖 | 免費注冊 | 一元廣告 | 友情鏈接 | 聯(lián)系我們 | 八方業(yè)務| 匯款方式 | 商務洽談室 | 投訴舉報
粵ICP備10089450號-8 - 經(jīng)營許可證編號:粵B2-20130562 軟件企業(yè)認定:深R-2013-2017 軟件產(chǎn)品登記:深DGY-2013-3594
著作權登記:2013SR134025
Copyright ? 2004 - 2025 b2b168.com All Rights Reserved