应用新型LoRa技术设计无线通信模块，满足智能物联的发展需求
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
北京信息科技大学自动化学院的研究人员蒲振、吴迎年，在2019年第6期《电气技术》杂志上撰文指出（论文标题为“基于LoRa的用电信息采集系统研究”），目前国内的用电与配电体系中，主站与用电信息采集终端长途通信大多数用的是GSM、GPRS等通信方案，这些无线通信模式存在通信延时长、通信可靠性差等缺点，已经不能满足国家提出的智能电网、智能物联的要求。
随着物联网无线通信技术迅速发展，LoRa应运而生，它具有免费选择频段、通信距离远、信号穿透性强、数据接收与发送稳定、组网灵活的特点，因此在用电信息采集体系中更受欢迎。采用工业级别的F8L10D-E-MS-N的LoRa芯片并且结合ATMEL D20设计的远程采集模块，用来实现远程通信的功能。
通信模块与主站的通信采取的是面向对象的DL/T 698通信协议规约，本模块创新的使用了新型的LoRa无线通信方式，并且与主控芯片之间通过USB3.0进行连接，加入NFC模块，通过NFC配合预装软件的参数配置。实验表明，该无线通信模块通信覆盖范围广、组网迅速，数据传输效率高。
随着科学信息技术的不断发展，以及国家用电信息采集终端在国家智能电网建设中举足轻重的地位，采集终端的稳定、准确、快速性成为智能电网衡量标准中重要的一个指标。对于以往的有线通信方式电力载波以现存的低压配电线为基础，此网络随处可见，具备简单、价格低廉等优势，但是也存在噪声干扰大、信号衰减复杂、随机性与时变性较强等劣势，显然，此种通信方式是不能满足对于信号传输稳定性要求的。
随后出现无线通信的方式，以前主要以GPRS为主，在当时的技术条件下，此通信方式可以把8个时隙有机地结合起来，能够以115kbit/s的宽带速度传输数据，相对GSM快了很多，能够保证用电信息更加快速、稳定地传输采集的数据，但是也存在延时长、速率慢、成本高等缺点。
伴随着新型物联网无线通信技术LoRa网络技术逐渐普及，这些问题的解决方案终于来临，LoRa网络采用的是无线免费频段，功耗低、通信距离远、抗干扰能力强、平均时延短，利用先进的扩频调制技术和编解码方案，对于链路预算也加入进去，并且对增强衰落和多普勒频移拥有好的稳定性。
本文针对抄表系统中集中器中的无线通信模块进行研究，它内嵌高性能低功耗的MCU，在目前技术的制约下和不改变集中器软硬件接口的前提下，通过以太网口与集中器连接，采用的是集中器通信模拟主站服务器、集中器客户端的设计思路，很大程度上提高了集中器的通信速率。
本模块主要是采用MCU控制模块来掌握整个通信流程，并且配合其他的芯片运转，用来实现1376.1规约和DLT 698.45规约（面向对象的数据交换协议）的转换。LoRa的芯片主要用来实现与远程服务器的无线网络的连接。Flash芯片存储集中器数据、通信数据、和各类转换过来的数据等。
1 系统的设计方案
基于LoRa的用电信息采集系统主要针对信息采集系统，在整个抄表系统起着连接与控制的作用，担任着数据传输与数据收集的任务，在信息采集系统中，采集系统向下要采集各个电能表参数的信息（智能表的正向有功总、尖、峰、平、谷等），向上要将采集到的参数数据上传至电力服务器，然后将服务器中接收到的数据上传到数据库、前端的网页以及客户端，通过对数据库的数据调用来显示各个采集到的具体数据信息，远程抄表用电信息系统的网络拓扑如图1所示。
通信模块的总体结构：LoRa远程无线通信模块采用LoRa FBL10D模块，MCU由D20处理器以及Flash组成。远程通信模块的总体结构如图2所示。主控芯片D20通过网络接口与集中器连接，通过USB3.0口与LoRa芯片连接，通过SPI总线与Flash芯片连接，通过I2C总线NFC芯片连接[8]。主控MCU芯片与LoRa芯片的连接方式不仅仅是USB3.0，伴随着芯片技术的不断发展，还有PCIE以及基于光纤的高速串行总线AFDXFC等通信方式。
图1 远程抄表的用电信息系统的网络拓扑图
图2 LoRa通信模块的总体结构
本模块设计主要的优势是采用新主流的物联网无线通信方式LoRa，使用免费频段，具有成本低，传输数据可靠，组网迅速便捷[9]，相比传统的无线GPRS、4G、ZigBee等网络，具有天然的优势，在传输效率方面，LoRa能够快速传输数据，完成通信的任务。
2 硬件设计
ATEML D20是一种低功耗、高性能，基于嵌入式ARM 32位的控制器，运行于48MHz，并有两阶段的通道，单周期I/O接入，单周期32×32倍增长事件系统和一个快速灵活的中断控制器，它的效率极高，可以达到2.14核心和93DMIPS。并且集成了16位的TC与比较/捕捉通道，看门狗定时器等，另有USART全双工和单线半双工装备、I2C、SPI等。可以满足多种科研的需求与运用。
通信控制模块主要利用ATMELD20为核心控制处理器，其中最重要是它创新使用了串行通信模块（SERCOM），它属于全软件配置型，支持I2C、USART/UART和SPI通信，经过整理，能够让众多外设准确适应应用的需求。该装备由充电锂电池供电。
对于通信模块的选择，要适应稳定、准确、可靠性高的要求。本信息系统选用的通信模块是F8L10D，该通信模块具有多个免费无线通信频段，实现超长通信距离、抗干扰能力强、可远程配置参数、超高的接收灵敏度，并且支持LoRaWAN网络容量大、组网灵活、成本低，项目部署优势明显等特点。
对于各个芯片之间的干扰与电压之间平衡问题，我们采用在MCU和FBL10D之间串联一个共模电感L1防止USB信号产生电磁干扰，并且串联R3、R4电阻到测试点以便于调试，电阻默认不贴。为了满足USB数据线信号完整性，要求L1/R3/R4需要靠近模块放置。
通信模块FBL10D 的电压范围在3.3～3.6V之间，在EGSM900模式下，瞬间峰值电流可能达到2.0A，为了预防电压跌落到3.3V以下，在使用开关电源或LDO时需要能提供足够的电流，因此需要在模块供电端加一个容值大于470F的钽电容或者电解电容。要避开天线部分，以防止电磁干扰，这些设计有效解决了上述的要求。
3 软件设计
在软件设计上按照顺序流程各个模块的配置按照如下步骤进行。实时任务的优先级首先是电能表的DL/T 645通信收发任务，接下来是LoRa的DL/T 698通信流程，然后是智能抄表和循环检测的任务，其次是DL/T 698协议解析与组帧的工作等任务，软件使用的是IAR软件，它是C编译器，带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE）、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具等。
在c文件main（）主程序首先执行MCU内核时钟的配置，配置运行频率和低速外设最低频率，然后接着继续编写关于GPIO、SPI、UART、I2C和PWM串口等外设[10]，并初始化通信模块的数据存储，通过优化模型，并通过SCOKET套接字进行通信，实现远程服务器的连接。
对下面的想法进行优化对照，首先微处理器MCU芯片与集中器之间通过以太网确立TCP/IP连接，集中器为客户端，MCU为服务器，建立第一组C/S连接；微处理器MCU经过LoRa通信模块与远程主站建立TCP/IP连接，LoRa芯片和USB3.0组合为微处理器芯片的一个虚拟网口，MCU为客户端，远程主站为服务器，建立第二组C/S连接；MCU被当做主站服务器获取集中器客户端的数据，并模拟集中器客户端响应远程主站服务器的数据请求，完成集中器与远程主站之间的数据交互[。
图3所示为LoRa通信模块与远程主站通信流程图。
图3 LoRa通信模块与远程主站通信流程图
LoRa模块的初始化流程：LoRa模块上电后，用AT指令对模块进行初始化，经过PPP协议与LoRa无线网络进行连接，通过套接字与远程主站服务器进行TCP连接，经过心跳检测与主站的连接。初始化之后，FBL10D模块与主站通过scoket进行连接通信，本系统主要选用流式scoket，主要面向C/S模型应用而设计。
Socket俗称BSD套接字，主要实现程序间的进程通信，在计算机网络通信中经常用到，主要在传输层进行数据传输。图4所示为实用新型通信连接流程示意图。
图4 实用新型通信连接流程示意图
4 实验验证
现对此模块灵敏度、功耗、通信距离进行测试。此模块的技术参数选定工作频率为433MHz，发射功率为30dBm，带宽为125kHz，前向纠错码率为4/5，数据传输速率是4kbit/s。
4.1 接收灵敏度测试
此实验采用的是普通的信号源、可改变的衰减器和特定的屏蔽箱。将此模块放在特定屏蔽箱内，此设备对于1.2GHz以下的信号能屏蔽大约120dBm，因此测试结果具有一定的权威性。普通的信号源产生接收模块能够辨别的待测信号，输出功率控制在+30dBm，接收模块如果能够辨别可变衰减器对普通信号源输出的调制的衰减信号，则对应的LED灯会进行相应的闪烁。
在实验过程中对信噪比（SNR）、扩频因子（SF）与接收灵敏度之间的关系进行研究。最后实验结果证明，此模块的灵敏度达到了设计的要求。数据显示，SF的值越大，接收灵敏度越高，SNR的值越小，接受灵敏度越高，测试结果见表1。功耗测试见表2。
4.2 通信距离测试
模块通信距离的测试，首先是对区域的选取，我们选择在北京某个相对空旷的地方，采用相对比较简易的两个LoRa模块，使用的是点对点通信方式，发射功率按照最大值设定到30dBm，并且把接受的灵敏度设定到最合适的138dBm，此区域路比较笔直宽阔，路两侧的建筑物相对比较少。测试的距离与丢包率的关系见表3。
表1 LoRa模块灵敏度测试
表2 功耗测试
表3 LoRa模块距离测试与丢包率的情况
在表3中可以看出，当通信距离大于8km时，丢包率大于6%，当大于11km时，丢包率大于18%，会出现通信中断的情况，符合此模块设计的初衷，符合要求。
本文对远程智能抄表体系中集中器中通信模块进行研究与改善，主要针对通信模块中运用最新的LoRa无线通信技术，将最新的LoRa芯片与MCU的相结合，替代传统的无线通信方式，使其在数据传输稳定性、灵敏度、丢包率、功耗等方面都有所提高，符合国家提出的智能电网的要求，也切合智能家居物联的趋势，能够很好满足远程抄表系统的需求。
依托LoRa无线通信技术，后面可以考虑针对此通信方式的组网算法以及对行业应用的研究。