基于LoRaWAN的無線低功耗抄表方法設(shè)計

雷婧 李紅信

摘要：以LoRa為代表的低功耗、遠距離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜組網(wǎng)和超高功耗的難題。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(shù)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(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種基于LoRaWAN無線通訊技術(shù)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(shè)計過程，最后得出結(jié)論，該系統(tǒng)實現(xiàn)了降低功耗的作用。

關(guān)鍵詞：LoRa；物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；遠距離；LoRaWAN

中圖分類號：TN914.52 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）33-0036-03

Abstract： LoRa represented in low-power， long-distance network technologies appears to effectively solve the complex networks and ultra-high-power networking problems. In order to reduce the power consumption and of the wireless meter reading system based on LoRaWAN ，at the same time for the Zigbee and infrared wireless technology in the meter reading scheme defects of short communication distance and weak anti-interference ability.Through the research of LoRa wireless standard protocol， combining the MCU system and LoRa modulation technology， an intelligent meter reading system based on LoRa wireless communication technology is designed. First introduces the hardware structure of the wireless meter reading system and the function of function module. Secondly， communication protocol and node software design process are described. Finally， the results show that the system can reduce the power consumption.

Key words： LoRa； IoT； low power； long range；LoRaWAN

1 引言

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）是一種物聯(lián)網(wǎng)無線接入新技術(shù)，具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)擴展性強、通信距離遠等優(yōu)點。LoRa（Long Range）作為一種非授權(quán)頻譜的LPWAN無線通信技術(shù)，以廣覆蓋、低功耗等特點受到了廣泛關(guān)注[1]。

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。LoRa物理層采用線性調(diào)頻技術(shù)（CSS，Chirp Spread Spectrum），適用于遠距離、低功耗、低吞吐量的通信[2]。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(shù)，工作在未授權(quán)頻段，使用免費的ISM頻譜，具體頻段及規(guī)范因地區(qū)而異[3]。LoRa 作為非授權(quán)頻譜 LPWAN 技術(shù)典型代表，有廣泛的應(yīng)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[4]。

隨著智慧城市的發(fā)展，遠距離無線抄表技術(shù)將在智能抄表應(yīng)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(yīng)，只能依靠電池供能，所以在運行過程中必須盡可能降低平均功耗，才可以保證不間斷的長期工作。顯然，只降低發(fā)射機的發(fā)射功率，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(zhì)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(shè)備不工作于發(fā)射或接收模式時，使其進入休眠狀態(tài)，是降低平均功耗最有效的方法。當集中器或網(wǎng)關(guān)需要和某個終端儀表通信時，處于休眠狀態(tài)的終端設(shè)備將被喚醒，轉(zhuǎn)換成發(fā)射或接收模式，實現(xiàn)交換數(shù)據(jù)的功能。

2 總體設(shè)計

LoRaWAN主要包含三個部分：節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器。節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)打包上傳給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，包括將節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器和將服務(wù)器的下行命令轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點。服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)解析和下發(fā)控制命令。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

本文設(shè)計的低功耗無線通信系統(tǒng)包含一個命令下發(fā)設(shè)備（服務(wù)器）、一個命令數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備（網(wǎng)關(guān)）和若干個終端設(shè)備（節(jié)點）。在系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下，網(wǎng)關(guān)使用市電供電；由于節(jié)點所處的位置不唯一，環(huán)境復(fù)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(nèi)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(wù)器的主要功能是給網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制命令，網(wǎng)關(guān)的主要功能是喚醒節(jié)點并且轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器下發(fā)的控制命令，并上傳節(jié)點的數(shù)據(jù)給服務(wù)器。

當集中器給某終端設(shè)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(shè)備喚醒，再進行通信。終端表設(shè)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(shè)備的地址相同，來決定此終端表設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)束，立刻開啟接收模式。