0  引言

    電能表、水表、燃氣表和熱量表（以下簡稱“民用四表”）是各類能源數據采集和計量計費的主要依據，是能源一體化采集和智能管理的關鍵設備。過去由于各業務部門一直保持著孤島運轉狀態，相互獨立不連通，但在“互聯網+”時代，在國家政策的推動下，各系統都應朝著集約化方向發展，避免同功能系統的重復建設，浪費國家投資。四表合一的難點在前端采集通信部分，選擇一種通信方式能靈活便捷地將大量數據融合采集，通信方式應該具備足夠的帶寬、抗干擾性、可自組網性及滿足不同品牌設備的互聯互通，解決傳統用采通信的大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗發展的瓶頸。有線通信肯定是無法滿足應用需求，從建設角度出發就直接排除；無線方式為目前可選方案，但無線技術層出不窮，有根據距離劃分的長、中、短距離無線通信方式，有根據頻段劃分的2G公網、1800M專網、230M專網、470M傳感網，有根據組網劃分的集中式組網和自組網等，四表合一應根據自身接入環境、設備性能、網絡要求選擇自適應的計量通信方式。

1  四表計量通信系統存在的問題

    四類表計在計量通信過程中都會存在各自的問題，由于表計部署位置及采集量的大小都會對通信方式提出要求，下面分析總結各類表計的發展瓶頸。

    （1）電表通信性能有待提升

    目前用電信息采集系統的采集覆蓋率已基本達到100%，平均每天能夠采集到的基礎用電信息為1.12 TB，海量的用電信息采集數據的源頭是智能電能表，智能電能表的通信速率以及成功率影響著整個用電信息采集系統的運行質量。用戶雙向實時交互等業務的開展也對智能電能表數據的吞吐量提出了較高的要求，傳統智能電能表的通信方式已經受到了前所未有的挑戰。

    （2）水表通信技術急需完善

    智能水表的技術壁壘較高，在無線通信方面，水表的入網無人負責，各類表計、集中器等采集設備的通信質量也難以監測；此外，水表自身射頻性能不穩定，外部環境通信頻段資源緊缺，缺少統一的通信網絡通道，且各企業生產的水表大多只能與自有的系統相通，無法實現各品牌表計間的互聯互通，嚴重影響了水表遠傳自動抄表技術的發展。

    （3）氣表智能化程度有待提高

    隨著階梯氣價的推廣與實施，傳統以氣量為基礎進行計價的機械表和IC卡預付表將難以適應這一新的計量方式，以金額為基礎計價的IC卡表和互聯網智能燃氣表將成為行業的發展趨勢。氣表發展模式逐步向電表接近。但目前燃氣管網支線建設過多，不僅增加了企業的供氣成本，而且由于不同支線建設廠商不同，嚴重影響了燃氣管道的互聯互通。因此，應進一步優化通信網建設，提升管網運營效率，降低管理成本，實現通信資源的綜合調配和優化配置。

    （4）熱表計自動化水平有待提升

    目前熱量表僅在北方較普及，智能化、自動化水平大都較低，難以滿足用戶對供暖控制的相關需求，無法實現供熱等級的自主調節，應以滿足用戶舒適度為出發點，大幅提升熱量表智能化水平，在提升用戶供暖體驗的基礎上，進一步減少通道建設資源浪費，實現節能減排。

    分析了四類表計在智能化、自動化、集約化方面新的需求，要實現功能的多樣化，需采集數據做基礎支撐，應提供足夠帶寬的通信通道將數據有序上傳。下面通過技術對比選擇性能更貼近需求的通信方式來實現四表合一計量數據采集系統。

2  LoRa傳輸性能分析及在用采系統的適用性

    四表融合采集系統類似于物聯網業務采集，布點位置零散，數量龐大，單點數據量小，加之電力系統的安全性和時延性要求，長距離無線方式明顯不適用于此應用場景，可以排除考慮。剩下的中短距離通信中，無線傳感網絡雖然是物聯網應用的首選，但在安全性和抗干擾方面也存在很大風險，尤其頻點在470 MHz左右，是多工業業務共用的頻點，在民用公共場合里會有較多的同頻傳輸干擾。綜合分析后，剩下的物聯網無線專網就是NB-IoT和LoRa網絡適合，下面針對兩種通信方式進行簡單的比選。

    LoRa是美國Semtech提出并研究的LPWA技術，2013年8月發布了一種新型的基于1 GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術（Long Range，簡稱LoRa）的芯片。它使用線性調頻擴頻空中喚醒技術，既實現了低功耗特性，又增加了通信距離，通過不同擴頻序列消除碼間干擾。NB-IoT是具有低帶寬、低功耗、遠距離通信、廣覆蓋、海量連接的物聯網技術，是適合企業部署的一種物聯網技術。兩種技術的優略勢比較如表1所示。

    通過表1可知，LoRa的覆蓋距離要比NB-IoT遠一些，抗干擾能力更強，低功耗采用空中喚醒技術，比縮減數據幀更加具有實際意義，針對小區表計部署復雜環境，綜合考慮，LoRa優選型更大些。下面針對LoRa典型技術進行充分研究，深入認識LoRa的技術優勢。在此基礎上研發的集中器/網關（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。

    （1）LoRa數據包根據調制解調方式分為兩種形式：顯示和隱式。計量系統中為安全性要求選擇隱式方式，主要由前導碼、報頭、有效負載組成。前導碼用于傳輸設備和數據之間的同步，前導碼設置了最小允許長度和可變長度，可變長度主要用在空中喚醒中。報頭主要包含有效負載的字節數、前向糾錯碼率和 CRC 校驗，隱式模式下數據包有效負載長度是通過寄存器來決定的。

    （2）LoRa網絡結構采用遠距離星型結構，中間通過核心網關連接，針對節點位置隱蔽或者與網關距離太遠的情況，可加中繼進行透傳跳轉，實現遠距離大連接。為提升架構的靈活性和自愈性，節點并不與特定的網關連接，單個網關理論上可以接收80 000個節點，某個節點發出的數據可以被多個網關接收，當某個網關失效時，上傳數據不會丟失，保障數據的完整性，服務器端可通過時間表來剔除多個網關發來的重復數據。

    （3）跳頻技術是NB技術缺少的，它能夠在收發雙方同步的情況下，按照事先約好的跳頻圖案跳轉通信頻率。通過廣播形式接收前導碼，首先在信道起始0發送，完成報頭接收后發出中斷信號，按照事先約定的頻點到n，報文跳轉后，完成一個周期的跳頻流程。后續繼續重復上述過程。調頻的好處是可以自適應選擇信道條件較好的通道，防止各類型傳輸干擾，尤其針對四表合一這種融合數據傳輸，碼間干擾或者串擾都會降低數據傳輸質量。

    （4）在星型的網絡結構中，為了延長電池壽命，終端節點通常需要喚醒來進行數據傳輸。喚醒方式不同，數據的傳輸方式也不同，可分為主動喚醒和空中喚醒技術，四表合一適合采用空中喚醒技術。網絡中的節點設置固定休眠時間，每個周期會主動喚醒一次，自動檢測網關是否發送來前導碼。當接收到后，立即喚醒中止休眠期，發送處理報文數據，執行完畢后，再次進入休眠周期；當節點喚醒后沒有檢測到前導碼，為降低時延，立即進入休眠狀態。

    LoRa網絡具備的技術特性、參數性能更符合四表合一數據接入需求，超大連接性能可實現數量龐大表計覆蓋，空中喚醒功能能降低設備功耗，跳頻技術能避除不同表計間數據傳輸干擾，并可在復雜的樓道環境里優選通信通道，可見LoRa技術各方面都非常適用于四表合一計量應用場景中。

3  基于LoRa技術的四表合一架構部署

    四表合一一體化采集系統架構如圖1所示，基本選擇以電表用采系統架構為基礎進行升級改造，每個表計都內嵌LoRa無線通信模塊，電表采集方式仍然保持不變，其他三類表計由于數據傳輸格式不統一，因此需新裝或換裝通信接口轉換器。通信接口轉換器下行通過LoRa無線與水氣熱表通信，上行同樣采用LoRa與采集器通信。上下行保持一致的通信方式簡化了網絡結構，并且縮短了技術切換時間。

    架構分為4層，即終端層、采集層、傳輸層、主站層，通信的重點在本地采集層和遠端傳送層。本地化通信都是采用LoRa技術，因此本地化終端中都需內嵌LoRa無線模塊，或者采用獨立CPE方式外掛也可以，尤其針對一些設備無法互聯互通的，只能通過外掛形式接入到無線網絡中，需加載無線模塊的有四表、轉換器、采集器、集中器。除此之外，轉換器和采集器類似于網絡中繼，形成網絡拉遠多跳，將較封閉的表計業務也能延伸傳輸。集中器是本地化通信的核心，類似于LoRa網絡中的網關，具備對下屬節點的靈活管控，集中器除了接收本區域內的表計，還可接收鄰區表計數據。LoRa帶寬大，用采數據量小，為保障數據完整性，可重復接收同樣的數據。在四表合一管控主站會對同一區域內表計節點進行分區，設置成不同頻道，在不同頻點上無線傳輸，降低碼間相互干擾。新加入的表計節點會設置初始網絡數，集中器會向下廣播自身的網絡數，表計對比后，如果一致則主動加入網絡，否則自動拋棄。LoRa還具備監聽射頻空中信道功能，在硬件上增加了無線防碰撞機制，有效解決了周圍其他無線系統同頻干擾問題，尤其對小區住戶密集的場景，能體現出其較好的優勢。

    集中器中安裝有下行和上行的通信模塊，相互獨立，互不干擾，并可通過驅動程序進行快速軟切換，切換時延幾乎為0。集中器上行遠傳系統承載在電力無線專網上，四表數據融合傳輸到后臺主站，主站間的互聯互通實現其他三類業務的分發和傳輸。主站網絡的物理結構主要由數據庫服務器、磁盤陣列、云平臺服務器集群、應用服務器集群、統一接口平臺服務器集群、前置通信服務器集群（包括通信前置機服務器、通信網關服務器、負載均衡器等）、防火墻設備以及相關的網絡設備組成。不同業務系統間利用防火墻及安全隔離裝置進行安全防護，保障數據間的串擾和完整。

4  LoRa通信模塊軟硬件組成

    要實現以上基于LoRa的通信系統結構，核心部件在于通信模塊，本節重點研究LoRa通信模塊軟硬件組成及功能實現。系統運行圖如圖2所示，該系統以集中器為中心，構建自上而下的數據采集網絡，采集器和轉換器作為本地數據采集設備，下行具有M-BUS總線、RS485總線、各種其他無線等通信方式，能對電、水、氣、熱表各數據節點進行實時采集，同時可用紅外、USB等接口進行本地維護。

    通信模塊是一個嵌入式產品，需要軟硬件協同工作，軟件工作于硬件之上，實現數據處理功能。硬件結構主要由控制模塊（MCU）、本地通信模塊LoRa無線、電源轉換模塊（AC-DC、DC-DC）、存儲、時鐘、紅外接口、顯示模塊（LED）、載波接口、RS485總線、M-BUS總線主機、M-BUS總線從機、USB和秒脈沖輸出組成。MCU主控芯片選擇的是ARM 64位微處理器，能夠滿足四表采集所需內存空間，具有高速可擦寫SDRAM模塊，MCU設置睡眠、監聽和運行3種模式，進一步降低運行功耗。硬件結構框圖如圖3所示。

    硬件接收電壓設置為22 V≤V_mark≤42 V，發送電流設置為I_mark+11 mA≤I_space≤I_mark+20 mA，輸入電壓(V_B1-V_B2) 為±50 V，I_bus為1.32 mA，波特率最大為38 400 b/s，接收電壓為22 V≤V_mark≤42 V，10 V≤ΔV≤12 V，發送電流為12.5 mA≤ΔI≤18 mA，運行溫度為-40℃ ~-85℃。為保障設備的可擴展性和網絡兼容性，硬件設置多種拓展接口，可隨時加載模塊而接入其他網絡。網關和中繼器在接口側有很大的不同，上下行連接的設備位置和性質不一致，可靈活配置對外接口，并且中繼器僅僅是透傳功能，無需存儲或緩存，因此電表和中繼的通信模塊更加簡約。

    本系統軟件設計采用實時操作系統，它以任務調度機制為核心，采集節點采用休眠－喚醒－休眠的循環工作模式，有效降低了系統功耗。軟件協議分為物理層、數據通道層和應用層，重點在數據通道層，實現協議解析、插入檢測、緩沖功能、時鐘對時、遠程升級、參數設置等，下面對幾個典型的軟件模塊進行詳細說明。

    （1）上行協議解析

    采集器支持接收多種上行協議幀，會根據不同端口來的協議幀進行相應處理，包括DL/T645協議、擴展DL/T645協議、擴展Q/GDW376.2、寬帶模塊協議，如圖4所示。

    （2）下行協議解析

    通過解析上行幀645幀，判斷其是水、氣、熱數據采集188幀或全透明封包幀或電能表數據采集數據幀，如圖5所示。

    通過數據的轉換和解析，才能實現底層數據的融合傳輸，將其他三類表計數據轉換為格式統一的數據在通道中協同傳輸，便于物理層、鏈路層的分幀、分包傳輸，鏈路兩端設備能統一解析和識別。

5  測試

    為了驗證基于LoRa技術的抄表系統的可行性和穩定性，進行大量的試驗測試，并對測試數據進行了詳細的篩選與統計，現將目前測試數據匯總如下。

    （1）速率測試

    通過利用路測工具，模擬信號源發送上下行數據，讀取截取終端接收和發送信號的強度，并進行轉換，獲得上行速率10.543 kb/s，下行速率15.765 kb/s，符合理論值要求。

    （2）時延測試

    設置初始條件，下行編碼速率等級5，上行編碼速率等級9，包大小128 B，測量10次接收時間并取平均，下行時延1.25 s，上行時延1.75 s。

    （3）抄表成功率測試

    測試了點抄過程，對一次抄表成功率進行了統計，總共抄了24塊表，6組，一共抄收了1 000次，平均抄收成功率達到99.75%，滿足集抄要求。

    （4）功耗測試

    選擇不同的通信頻段，230 MHz、470 MHz、510 MHz，分別測試各頻段的終端模塊功率損耗，測試結果分別為1.3、1.4、1.5，可見頻點越高，功耗會相應增加。

    通過測試全面驗證了LoRa方案無線覆蓋性能、速率、時延、功耗、可靠性及端到端業務上的表現，充分展示了LoRa解決方案優勢。

6  結論

    本文調研了四表合一應用和部署的現狀，分析對比了NB-IoT和LoRa技術的性能參數，指出LoRa更加符合四表合一應用場景要求。重點研究LoRa跳頻、自組網、空間喚醒等關鍵技術如何支撐實際應用，如何體現其優越性。在此基礎上提出了基于LoRa的四表合一系統框架結構，闡述了集約化架構融合傳輸的特點，并對通信模塊進行了軟硬件設計，設定功能項及實現流程。通過模擬無線信號進行實驗分析，對LoRa 的通信距離和低功耗特性進行了測試，并對抄表覆蓋率及成功率等進行了驗證，從結果分析，LoRa在自動融合抄表系統中能夠達到很好的設計性能。本文的研究對四表合一的實施推廣具有推動作用。

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作者信息:

姚  志，田  瑞，嚴紹奎

（國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川750011）