基于LoRaWAN的远程抄表系统

作者:金卡高科技股份有限公司 张恩满 赵春焕 钟晨 丁渊明 聂西利

摘要:随着无线通讯技术的不断发展,智能燃气抄表也有了更多的选择。首先分析了LoRa技术的特点及LoRaWAN协议的网络架构,并与其他无线通讯技术进行对比,最后以LoRaWAN燃气表为例分析了LoRaWAN协议在智能燃气抄表领域的可应用性。

关键词:LoRa技术 ;LoRaWAN燃气表;远程抄表系统

1、LoRa技术

LoRa 是由Semtech公司开发的一种基于1GHz以下的新型超长距低功耗数据传输技术。它使用线性调频扩频调制技术,即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰,即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰[1][2],因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据,大大扩展了系统容量。

随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统[1]。

LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成,应用数据可双向传输。LoRa的优势主要体现在以下几个方面:1)高接收灵敏度,功耗低,接收灵敏度达-148dbm,接收电流仅10mA,睡眠电流200nA。2)系统容量大,每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。3)基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位,对距离的测量是基于信号在空中的传输时间,而定位则基于多点(网关)对一点(节点)发出的信号在空中传输时间差的测量[3]。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。4)支持自组网,可以实现节点与集中器直接组网连接,构成星型网络。

2、LoRaWAN标准

LoRa技术在物理层上实现了长距离点对点通信,如果没有协议栈的管理设计,LoRa的使用只能限于简单的数据收发,无法组成高效复杂的通讯网络。2015年LoRa联盟发布LoRaWAN技术规范,成为LPWAN(低功耗长距离广域网)的重要技术标准之一[4]。LoRaWAN定义了网络的通讯协议和系统架构,而LoRa物理层能够使长距离通讯链路成为可能。完全符合LoRaWAN标准的通讯网关可以接入5到10公里内上万个无线节点,其效率远远高于传统的点对点轮询通讯模式,也能大幅度降低节点通讯功耗[5]。LoRaWAN自下而上设计,为电池寿命、容量、距离和成本而优化了LPWAN(低功耗广域网)。对于不同地区LoRaWAN给出了一个规范概要,以及在LPWAN空间竞争的不同技术的高级比较[6]。

图1 LoRaWAN系统架构

图2 LoRaWAN网络架构

1)网络架构

LoRaWAN采用星型网络架构,在网络中,节点与专用网关不相关联。相反,一个节点传输的数据通常是由多个网关收到[7]。每个网关将从终端节点所接收到的数据包通过一些回程(蜂窝、以太网等)转发到基于云计算的网络服务器。智能化和复杂性放到了服务器上,服务器管理网络和过滤冗余的接收到的数据,执行安全检查,通过最优的网关进行调度确认,并执行自适应数据速率等。

2)网络容量

LoRa基于扩频调制,使用不同扩频因子时,信号实际上是彼此正交。当扩频因子发生变化,有效的数据速率也会发生变化。网关利用了这个特性,能够在同一时间相同信道上接受多个不同的数据速率。为使自适应的数据速率工作,对称的上行链路和下行链路要求有足够的下行链路容量。这些特点使得LoRaWAN有非常高的容量,网络更具有可扩展性。用最少量的基础设施可以部署网络,当需要容量时,可以添加更多网关,变换数据速率,减少串音次数,可扩展6~8倍网络容量。

LoRaWAN协议在2016年更新到了1.02版本,对于中国地区,LoRaWAN划分的通讯频段为470-510MHz,并将该频段划分为上行频段和下行频段两部分,上行频段共96个,带宽为125KHz,以200KHz的间隔从470.3MHz线性递增至489.33MHz,下行频段以相同方式划分,范围是500.3MHz-509.7MHz。同时,采用收发异频模式,下行信道的计算方法为上行信道号对48取模,所得值即为下行信道号[8]。

3、基于LoRaWAN的燃气抄表应用

近年来,随着城市化的快速发展,燃气表产销规模快速增长,如何对庞大且分散的燃气表进行及时、准确、有效的抄收成为燃气公司迫切需要解决的问题。传统的人工抄表需要挨家挨户地抄读燃气表,燃气表抄收人员将数据录入系统后才能生成账单。人工抄表的弊端越来越突出,主要表现在:抄表效率非常低,劳动强度非常大;错抄、估抄的情况严重,容易引起不必要的纠纷。人工抄表已经不能适应社会的发展,智能抄表成为未来的趋势。

目前燃气公司对燃气表的通讯要求主要包括以下几点:日累积气量、事件上报、表具当前状态、月累积气量等,大部分数据较短,在几十字节以内,少部分指令,如读取月累积气量数据包长度达到一百五十字节左右。燃气公司对于用户所用气量数据实时性要求不高,每天上传3次完全可以满足结算需求,但对于燃气表低功耗的要求则比较严苛,对于锂电池供电的燃气表,要求电池寿命达十年,对于碱性电池供电的燃气表则要求四节碱性电池可以使用一年。结合现代楼体建筑向高层发展的趋势,一个中等小区大约有一到两千户,对智能抄表的灵活性、自由性提出了要求。

LoRaWAN协议在LoRa技术功耗低、通讯距离远的优势基础上,规范了以LoRa做为长距离通信链路的物理层时网络的结构,适用于燃气抄表数据量少、通信距离远、对实时性要求不高的应用特点,同时满足了低功耗的要求,兼顾组网灵活简单、网络扩展方便、易于管理等特点。LoRaWAN协议采用星型组网,针对不同的扩频因子,数据包负载长度从51到223不等,且集中器作为透明传输使用,方便后期网络扩张。同时,LoRaWAN支持多信道通信、信道修改等,对于开放频段的无线设备,保障了长期通讯的稳定性,降低其他无线设备对终端的干扰。近年来燃气抄表领域对于LoRa技术的应用多是采用自主研发的通讯协议,采用被动唤醒、固定SF和发射功率等设计,通用性、抗干扰性差。被动唤醒的抄表方式要与手持机配合使用,终端为了支持这种抄表方式要频繁唤醒检测是否有手持设备,因此终端大部分唤醒是无用的,这部分功耗相当于被浪费,因此技术与协议的有效结合是解决智能燃气抄表的最好方案。

4.基于LoRaWAN协议的燃气表远程抄表试验研究

本文针对本公司独立研发的LoRaWAN无线智能远传燃气表(简称LoRaWAN燃气表)进行了通讯性能测试。该燃气表通信信道带宽设为125kHz,支持8个信道,采用Class A模式。为了在通信距离与终端功耗之间取得动态的平衡,该燃气表扩频因子及发射功率可调,针对不同的通讯条件自动调整,从而在保证抄表率的前提下降低终端功耗。

为实现多LoRaWAN燃气表组网通讯,同时测试了本公司针对LoRaWAN燃气表研发的一体化的集中器与网络服务器(Network Server,简称NS)。集中器支持同时接收8个信道的数据,单个集中器可满足最少2000台终端设备的通讯需求,终端上行数据通过4G模块发送到NS。NS负责数据处理,在接收到集中器的上行数据后,经过鉴权等校验,合法数据解密后解析,其中应用数据输出到应用服务器,MAC命令生成回应。

LoRaWAN燃气表作为通讯终端采用随机信道选择方式进行干扰规避。每次终端在进行上行数据发送或者数据重发时,都会在8个信道中随机选择一个信道进行接入。为了保障通讯安全,通讯采用动态密钥,由终端和NS各提供一个随机数,共同生成密钥,保障密钥的安全性,同时加入自动离网机制,在通讯达到一段时间后,自动离线,重新入网并生成密钥。

为了最大限度地节约终端功耗,在终端入网后,NS主动向终端发送链路自适应命令,将终端的射频参数调整到最合适的状态,其调整依据如图3所示,集中器上传终端当前通讯使用的射频参数及数据信噪比(SNR),网络服务器根据SNR计算终端当前链路质量下最合适的射频参数,若与终端当前使用的射频参数不同,则下发链路自适应命令,调整终端射频参数,若相同则不下发该命令[9]。

图3 扩频因子与信噪比对照

通过拉距测试、实地抄表测试及长期抄表测试来验证LoRaWAN燃气表及其组网设备的数据抄收能力,具体实验条件

1)拉距测试

拉距测试条件如图4所示,集中器放置在图4起点位置,集中器摆放如图5所示,两地直线距离为4.4公里,该区域多为厂房等低层建筑分布,相比城市建筑较为稀疏。

图4 拉距测试距离示意图

图5 集中器摆放位置

在4.4公里处,使用4台样表进行抄表实验,手动触发样表发送ConfirmedData,能够接收到网络服务器下行的ACK数据,每个样表发送8次数据,通讯成功率为100%。

2)实地抄表测试

为了验证LoRaWAN燃气表在城市住宅区的通讯性能,在杭州市江干区和达城小区内进行实地抄表实验,该小区楼宇地上33层,地下两层,实验涵盖6幢楼体,实验时由测试人员手动触发样表发送ConfirmedData,能够接收到网络服务器下行的ACK数据即为通讯成功,实验条件如下:表具放置点:如图6所示,在号楼的1层和33层最隐秘的位置,●所示位置,以及所有楼栋的地下1层和地下2层;集中器安装位置:如图6所示:A(3号楼的7层),B(6号楼的天台);数据库位置:公司服务器;抄表率计算方法:抄表率=抄到数据的表的数量÷表具总数。测试抄表情况如下:不管集中器在A或B位置,楼层中的表具抄表率达100%;在A位置时,所有楼栋的地下1层和2层都能抄到,抄表率依旧为100%,在B位置时,3号和4号楼的地下1层、地下2层都能抄到,其余楼栋地下抄不到。

图6 设备摆放示意图


图7 集中器位置

3)长期抄表测试

为了检验LoRaWAN燃气表长期抄表情况,在本公司内部进行了长期抄表测试,实验样品数为500个样表,集中器放置在公司楼顶,如图7所示,楼高为四层,表具放置在公司员工宿舍洗手池下,模拟实际安装使用情况,如图8所示,位置为1~4楼。

图8 被测表具位置

图9 某时段抄表率统计

实验期间表端间隔8小时上传一次实时气量数据,一次抄表成功率计算方法为:一次抄表成功率 = 每天实际上传数据量/每天应上传数据量,日抄表成功率计算方法为:日抄表成功率 = 该日成功上传数据的表具数量/实验表具总数量,以下为实验数据:

以上实验数据表明,LoRaWAN表通讯距离良好,在低层建筑分布地区通讯距离能够达到4.4公里以上;在一般城市高层住宅内能够保证良好通信;在长期测试环境下,日抄表率为100%,一次抄表率在94%~100%之间。

5、总结

本文介绍了LoRa的技术特点以及LoRaWAN协议的网络架构,并分析了燃气抄表的应用场景需求,分析了几种无信通信技术的特点,指出LoRaWAN协议针对该需求的优异性。同时介绍了本公司LoRaWAN燃气表研发及实验情况,总结分析实验数据可以发现基于LoRaWAN协议的广域低功耗射频通讯技术能够实现覆盖范围广、抄收成功率高,完全适用于燃气计量自动抄表应用,另外其成本低廉的特点更适合于城市燃气居民用户抄表。

参考文献:

[1]王瑞.基于LoRa通信的无线水表抄表系统的设计[D]. 江西: 东华理工大学,2016.

[2]Mikhaylov K, Pet?j?j?rvi J, Haenninen T. Analysis of capacity and scalability of the LoRa low power wide area network technology[C].European Wireless 2016; 22th European Wireless Conference; Proceedings of. VDE, 2016: 1-6.

[3]Gregora L,Vojtech L,Neruda M. Indoor signal propagation of LoRa technology[C]. Mechatronics-Mechatronika (ME), 2016 17th International Conference on. IEEE, 2016: 1-4.

[4]Schroder Filho H G, Pissolato Filho J, Moreli V L. The adequacy of LoRaWAN on smart grids: A comparison with RF mesh technology[C].Smart Cities Conference (ISC2), 2016 IEEE International. IEEE, 2016: 1-6.

[5]Wixted A J, Kinnaird P, Larijani H, et al. Evaluation of LoRa and LoRaWAN for wireless sensor networks[C].SENSORS, 2016 IEEE. IEEE, 2016: 1-3.

[6]孙曼,张乃谦,金立标,等. 基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术, 2016, 40(10): 77-81.

[7]Alliance L R. LoRaWAN? Specification[J]. LoRa Alliance, 2015.

[8]Alliance L R. LoRaWANRegionalParameters [J]. LoRa Alliance, 2016.

[9]Semtech, SX1276/77/78/79-137 MHz to 1020MHz Low Power Long Range Transceiver. rev.4-03/2015.

DOI:10.16116/j.cnki.jskj.2017.06.010

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