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  • 頭條應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求
    2020-09-17 作者:蒲振、吳迎年  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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    導語北京信息科技大學自動化學院的研究人員蒲振、吳迎年,在2019年第6期《電氣技術》雜志上撰文指出(論文標題為“基于LoRa的用電信息采集系統研究”),目前國內的用電與配電體系中,主站與用電信息采集終端長途通信大多數用的是GSM、GPRS等通信方案,這些無線通信模式存在通信延時長、通信可靠性差等缺點,已經不能滿足國家提出的智能電網、智能物聯的要求。 隨著物聯網無線通信技術迅速發展,LoRa應運而生,它具有免費選擇頻段、通信距離遠、信號穿透性強、數據接收與發送穩定、組網靈活的特點,因此在用電信息采集體系中更受歡迎。采用工業級別的F8L10D-E-MS-N的LoRa芯片并且結合ATMEL D20設計的遠程采集模塊,用來實現遠程通信的功能。 通信模塊與主站的通信采取的是面向對象的DL/T 698通信協議規約,本模塊創新的使用了新型的LoRa無線通信方式,并且與主控芯片之間通過USB3.0進行連接,加入NFC模塊,通過NFC配合預裝軟件的參數配置。實驗表明,該無線通信模塊通信覆蓋范圍廣、組網迅速,數據傳輸效率高。

    隨著科學信息技術的不斷發展,以及國家用電信息采集終端在國家智能電網建設中舉足輕重的地位,采集終端的穩定、準確、快速性成為智能電網衡量標準中重要的一個指標。對于以往的有線通信方式電力載波以現存的低壓配電線為基礎,此網絡隨處可見,具備簡單、價格低廉等優勢,但是也存在噪聲干擾大、信號衰減復雜、隨機性與時變性較強等劣勢,顯然,此種通信方式是不能滿足對于信號傳輸穩定性要求的。

    隨后出現無線通信的方式,以前主要以GPRS為主,在當時的技術條件下,此通信方式可以把8個時隙有機地結合起來,能夠以115kbit/s的寬帶速度傳輸數據,相對GSM快了很多,能夠保證用電信息更加快速、穩定地傳輸采集的數據,但是也存在延時長、速率慢、成本高等缺點。

    伴隨著新型物聯網無線通信技術LoRa網絡技術逐漸普及,這些問題的解決方案終于來臨,LoRa網絡采用的是無線免費頻段,功耗低、通信距離遠、抗干擾能力強、平均時延短,利用先進的擴頻調制技術和編解碼方案,對于鏈路預算也加入進去,并且對增強衰落和多普勒頻移擁有好的穩定性。

    本文針對抄表系統中集中器中的無線通信模塊進行研究,它內嵌高性能低功耗的MCU,在目前技術的制約下和不改變集中器軟硬件接口的前提下,通過以太網口與集中器連接,采用的是集中器通信模擬主站服務器、集中器客戶端的設計思路,很大程度上提高了集中器的通信速率。

    本模塊主要是采用MCU控制模塊來掌握整個通信流程,并且配合其他的芯片運轉,用來實現1376.1規約和DLT 698.45規約(面向對象的數據交換協議)的轉換。LoRa的芯片主要用來實現與遠程服務器的無線網絡的連接。Flash芯片存儲集中器數據、通信數據、和各類轉換過來的數據等。

    1 系統的設計方案

    基于LoRa的用電信息采集系統主要針對信息采集系統,在整個抄表系統起著連接與控制的作用,擔任著數據傳輸與數據收集的任務,在信息采集系統中,采集系統向下要采集各個電能表參數的信息(智能表的正向有功總、尖、峰、平、谷等),向上要將采集到的參數數據上傳至電力服務器,然后將服務器中接收到的數據上傳到數據庫、前端的網頁以及客戶端,通過對數據庫的數據調用來顯示各個采集到的具體數據信息,遠程抄表用電信息系統的網絡拓撲如圖1所示。

    通信模塊的總體結構:LoRa遠程無線通信模塊采用LoRa FBL10D模塊,MCU由D20處理器以及Flash組成。遠程通信模塊的總體結構如圖2所示。主控芯片D20通過網絡接口與集中器連接,通過USB3.0口與LoRa芯片連接,通過SPI總線與Flash芯片連接,通過I2C總線NFC芯片連接[8]。主控MCU芯片與LoRa芯片的連接方式不僅僅是USB3.0,伴隨著芯片技術的不斷發展,還有PCIE以及基于光纖的高速串行總線AFDXFC等通信方式。

    應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求

    圖1 遠程抄表的用電信息系統的網絡拓撲圖

    應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求

    圖2 LoRa通信模塊的總體結構

    本模塊設計主要的優勢是采用新主流的物聯網無線通信方式LoRa,使用免費頻段,具有成本低,傳輸數據可靠,組網迅速便捷[9],相比傳統的無線GPRS、4G、ZigBee等網絡,具有天然的優勢,在傳輸效率方面,LoRa能夠快速傳輸數據,完成通信的任務。

    2 硬件設計

    ATEML D20是一種低功耗、高性能,基于嵌入式ARM 32位的控制器,運行于48MHz,并有兩階段的通道,單周期I/O接入,單周期32×32倍增長事件系統和一個快速靈活的中斷控制器,它的效率極高,可以達到2.14核心和93DMIPS。并且集成了16位的TC與比較/捕捉通道,看門狗定時器等,另有USART全雙工和單線半雙工裝備、I2C、SPI等。可以滿足多種科研的需求與運用。

    通信控制模塊主要利用ATMELD20為核心控制處理器,其中最重要是它創新使用了串行通信模塊(SERCOM),它屬于全軟件配置型,支持I2C、USART/UART和SPI通信,經過整理,能夠讓眾多外設準確適應應用的需求。該裝備由充電鋰電池供電。

    對于通信模塊的選擇,要適應穩定、準確、可靠性高的要求。本信息系統選用的通信模塊是F8L10D,該通信模塊具有多個免費無線通信頻段,實現超長通信距離、抗干擾能力強、可遠程配置參數、超高的接收靈敏度,并且支持LoRaWAN網絡容量大、組網靈活、成本低,項目部署優勢明顯等特點。

    對于各個芯片之間的干擾與電壓之間平衡問題,我們采用在MCU和FBL10D之間串聯一個共模電感L1防止USB信號產生電磁干擾,并且串聯R3、R4電阻到測試點以便于調試,電阻默認不貼。為了滿足USB數據線信號完整性,要求L1/R3/R4需要靠近模塊放置。

    通信模塊FBL10D 的電壓范圍在3.3~3.6V之間,在EGSM900模式下,瞬間峰值電流可能達到2.0A,為了預防電壓跌落到3.3V以下,在使用開關電源或LDO時需要能提供足夠的電流,因此需要在模塊供電端加一個容值大于470◆F的鉭電容或者電解電容。要避開天線部分,以防止電磁干擾,這些設計有效解決了上述的要求。

    3 軟件設計

    在軟件設計上按照順序流程各個模塊的配置按照如下步驟進行。實時任務的優先級首先是電能表的DL/T 645通信收發任務,接下來是LoRa的DL/T 698通信流程,然后是智能抄表和循環檢測的任務,其次是DL/T 698協議解析與組幀的工作等任務,軟件使用的是IAR軟件,它是C編譯器,帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發環境(IDE)、實時操作系統和中間件、開發套件、硬件仿真器以及狀態機建模工具等。

    在c文件main()主程序首先執行MCU內核時鐘的配置,配置運行頻率和低速外設最低頻率,然后接著繼續編寫關于GPIO、SPI、UART、I2C和PWM串口等外設[10],并初始化通信模塊的數據存儲,通過優化模型,并通過SCOKET套接字進行通信,實現遠程服務器的連接。

    對下面的想法進行優化對照,首先微處理器MCU芯片與集中器之間通過以太網確立TCP/IP連接,集中器為客戶端,MCU為服務器,建立第一組C/S連接;微處理器MCU經過LoRa通信模塊與遠程主站建立TCP/IP連接,LoRa芯片和USB3.0組合為微處理器芯片的一個虛擬網口,MCU為客戶端,遠程主站為服務器,建立第二組C/S連接;MCU被當做主站服務器獲取集中器客戶端的數據,并模擬集中器客戶端響應遠程主站服務器的數據請求,完成集中器與遠程主站之間的數據交互[。

    圖3所示為LoRa通信模塊與遠程主站通信流程圖。

    應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求

    圖3 LoRa通信模塊與遠程主站通信流程圖

    LoRa模塊的初始化流程:LoRa模塊上電后,用AT指令對模塊進行初始化,經過PPP協議與LoRa無線網絡進行連接,通過套接字與遠程主站服務器進行TCP連接,經過心跳檢測與主站的連接。初始化之后,FBL10D模塊與主站通過scoket進行連接通信,本系統主要選用流式scoket,主要面向C/S模型應用而設計。

    Socket俗稱BSD套接字,主要實現程序間的進程通信,在計算機網絡通信中經常用到,主要在傳輸層進行數據傳輸。圖4所示為實用新型通信連接流程示意圖。

    應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求

    圖4 實用新型通信連接流程示意圖

    4 實驗驗證

    現對此模塊靈敏度、功耗、通信距離進行測試。此模塊的技術參數選定工作頻率為433MHz,發射功率為30dBm,帶寬為125kHz,前向糾錯碼率為4/5,數據傳輸速率是4kbit/s。

    4.1 接收靈敏度測試

    此實驗采用的是普通的信號源、可改變的衰減器和特定的屏蔽箱。將此模塊放在特定屏蔽箱內,此設備對于1.2GHz以下的信號能屏蔽大約◆120dBm,因此測試結果具有一定的權威性。普通的信號源產生接收模塊能夠辨別的待測信號,輸出功率控制在+30dBm,接收模塊如果能夠辨別可變衰減器對普通信號源輸出的調制的衰減信號,則對應的LED燈會進行相應的閃爍。

    在實驗過程中對信噪比(SNR)、擴頻因子(SF)與接收靈敏度之間的關系進行研究。最后實驗結果證明,此模塊的靈敏度達到了設計的要求。數據顯示,SF的值越大,接收靈敏度越高,SNR的值越小,接受靈敏度越高,測試結果見表1。功耗測試見表2。

    4.2 通信距離測試

    模塊通信距離的測試,首先是對區域的選取,我們選擇在北京某個相對空曠的地方,采用相對比較簡易的兩個LoRa模塊,使用的是點對點通信方式,發射功率按照最大值設定到30dBm,并且把接受的靈敏度設定到最合適的◆138dBm,此區域路比較筆直寬闊,路兩側的建筑物相對比較少。測試的距離與丟包率的關系見表3。

    應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求

    表1 LoRa模塊靈敏度測試

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    表2 功耗測試

    應用新型LoRa技術設計無線通信模塊,滿足智能物聯的發展需求

    表3 LoRa模塊距離測試與丟包率的情況

    在表3中可以看出,當通信距離大于8km時,丟包率大于6%,當大于11km時,丟包率大于18%,會出現通信中斷的情況,符合此模塊設計的初衷,符合要求。

    結論

    本文對遠程智能抄表體系中集中器中通信模塊進行研究與改善,主要針對通信模塊中運用最新的LoRa無線通信技術,將最新的LoRa芯片與MCU的相結合,替代傳統的無線通信方式,使其在數據傳輸穩定性、靈敏度、丟包率、功耗等方面都有所提高,符合國家提出的智能電網的要求,也切合智能家居物聯的趨勢,能夠很好滿足遠程抄表系統的需求。

    依托LoRa無線通信技術,后面可以考慮針對此通信方式的組網算法以及對行業應用的研究。

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