基于LoRa的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法与流程

本发明属于物联网和通信领域，涉及一种基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法。适用于居住小区、工厂、学校等大量使用电、水和燃气的场所。

背景技术：

随着全球现代化、信息化、自动化快速发展的进一步加速，随之而来的能源过度浪费等问题逐渐凸显。与此同时，物联网迎来了一个开创性的时代，物联网技术得以飞速发展。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网时代，越来越多的物体接入网络，逐渐实现“万物互联”这一广阔前景。在物联网技术的基础上，能源物联网进入了蓬勃发展时期，能源物联网是各类智能技术在用电、用水、用燃气等环节的有机结合，可有效解决能源浪费、能源管理模式混乱等问题。

物联网时代的到来的同时也带来了能源过度浪费的问题，在这背景下，“低功耗”成为现阶段追求的目标，低功耗无线技术与物联网的结合迫在眉睫。低功耗广域网lpwan技术，作为m2m连接的有效补充方案，加速了物联网在低功耗、大容量、广覆盖、低成本方面的发展。lora作为lpwan的一种长距离通信技术，解决了传统无线传感器网络传输距离远与低功耗不能兼得的问题。lora是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，lora的名字就是远距离无线电(longrangeradio)，是一种新型无线通信技术，利用了先进的扩频调制技术和编码方案，增加了链路预算和更好的干扰性能，对深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

远程抄表已成为智能电网中的重要组成部分，传统的人工抄表方式有数量大、误差大等缺点，而且有些能源用表安装地点偏远，有些则需带电作业，危险大，费时费力，除了造成资源的浪费外，在实时性，准确性和应用性等方面都存在不足。使用lora技术实现远程抄表系统不仅覆盖性广、通讯成本低、能够高效、实时的远程读取数据，而且还能提高电力、水力和燃气供给单位对抄表业务的管理规范性，解决了电、水、燃气表分布点分散，难以管理的问题，是能源供给相关单位理想的抄表方案。对远程采集数据进行处理，智能分析每个接入多功能能源用表的状态，并解析成有用的信息，供所有用户访问使用。所以现阶段，设计一种基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统来提高工作效率、保证服务质量、降低能源消耗尤为重要。

技术实现要素：

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，该方法利用lora技术覆盖性广、通讯成本低、能够高效、实时的远程读取数据的特点，将其应用在远程抄表领域，基于lora协议栈的通讯标准，设置lora芯片的工作时间来降低功耗，实现了很好的效果。通过lora射频传输模块对智能电表模块、智能水表模块和智能燃气表模块发送指定命令，随后接收智能多功能用表返回的数据，以相应的协议进行解析并打包发送至lora网关模块，lora网关模块接收到信息后将其通过lora外网上传到服务器来进行数据解析，将有用数据存储到数据库。通过对智能电表、智能水表和智能燃气表的远程集中管理，智能分析每个接入多功能能源用表的状态，并解析成有用的信息，不仅能提高工作效率和保证服务质量，还可以降低能源消耗。

为实现上述目标，本发明实现的技术方案如下：

一种基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，包括智能电表模块、智能水表模块、智能燃气表模块、lora射频传输模块、lora网关模块和远程服务器模块；

所述智能电表模块用于记录用户用电状态，包括控制模块、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块；

所述智能水表模块用于记录用户用水状态，包括控制模块、电磁水阀、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块；

所述智能燃气表模块用于记录用户用燃气状态，包括控制模块、燃气阀、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块；

所述lora射频传输模块用于连接多功能用表模块和lora网关模块，包括采集节点、lora数据采集控制器和传输总线；

所述lora网关模块用于连接lora射频传输模块和服务器模块，包括汇聚节点、中继节点以及lora外网；

所述远程服务器模块包括设备控制服务、数据采集服务以及其他服务。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述lora射频传输模块通过对智能电表模块、智能水表模块和智能燃气表模块发送指定命令，随后接收智能多功能用表返回的数据，以相应的协议进行解析并打包发送至lora网关模块，lora网关模块接收到信息后将其通过lora外网上传到服务器来进行数据解析，将有用数据存储到数据库。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述的智能电表模块、智能水表模块和智能燃气表模块中的控制模块的处理器单元使用stm32f103芯片，通信模块使用sx1278作为射频传输芯片。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述时钟模块中使用时钟电路ds1302结构。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述lora射频传输模块中的lora数据采集控制器由电源模块、lorasx1278射频模块、控制电路模块、jtag接口模块和总线接口模块组成。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述lora网关模块中的汇聚节点与中继节点由电源模块、lorasx1278射频模块、jtag接口模块和总线接口模块组成。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述的传输总线为rs-485串行总线。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述智能用表模块、lora射频传输模块、lora网关模块和远程服务器各模块之间使用lora协议栈建立连接。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述的通信方式是通过发送命令帧和答复命令帧的方法实现，各发送命令帧为：0x0100(读取多功能用表的基本信息)，0x0101(读取当前多功能用表的状态信息)，0x0200(读取多功能用表本月使用量)，0x0201(读取多功能用表历史使用量)，各答复命令帧为：0x0110，0x0111，0x0210，0x0211。

根据本发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述lora协议栈包括rflayer(无线射频层)、phylayer(物理层)、maclayer(媒体接入控制层)和applicationlayer(应用层)，由lora协议实现lora数据帧的发送接收。其中，rflayer用于调制所需rf载波上的phy帧，并传输到空中，phylayer用于构建phy帧，maclayer用于构建mac帧。

根据发明所述的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法，其特征在于，所述lora数据帧包含一个上行消息和一个下行消息，上行消息由终端设备经过一个或多个网关发送至网络服务端，上行消息由前导码preamble、包头phad、包头crc值phad_crc、数据phypayload和crc校验码组成，下行消息由网络服务端发送给终端设备，下行消息由前导码preamble、包头phad、包头crc值phad_crc和数据phypayload组成。

根据本发明所述的数据帧包的格式，其特征在于lora协议调制的数据传输速率为：码元的传输速率为：码元的传输时间为：其中，sf为扩频因子，bw为调制带宽。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明所述的多功能能源用表系统的lora信号发送接收流程以及各设备实现的功能如下：智能用表模块、lora射频传输模块、lora网关模块和远程服务器各模块之间通信基于lora协议实现，lora数据的发送接收流程实现了低功耗的要求。在发送状态下，仅在需要发送数据的时候才会启动射频模块，发送流程为：lora芯片在发送前一直处于待机状态，在初始化模块后，先将数据写入芯片存储器，然后由待机状态切换为发送状态将lora数据调制发送出去，发送完毕后射频模块会产生一次中断，由发送状态转变为待机状态；在接收状态下，lora设备会在给定的时间段内搜索lora数据帧中的前导码preamble，如果在这时间段内没有搜索到，则会产生一次中断，由接收状态切换为待机状态，如果数据接收完毕，crc校验码会失效，此时同样会产生一次中断，由接收状态切换为待机状态。这种工作与待机的相互切换工作模式，极大的降低了功耗。智能电表模块、智能水表模块和智能燃气表模块分别布置在小区居民楼，各模块中包括能与lora射频传输模块传输数据的通信模块、控制各能源用表正常工作的控制模块、采集并计算用电、水、气量的计量模块、通过时钟电路控制各能源用表工作的时钟模块、显示各能源用表数据的显示模块、存储各能源用表数据的存储模块和维护设备正常工作的电源模块；lora射频传输模块与居民楼内的能源用表模块通过总线连接，系统工作时，lora数据采集控制器控制采集节点对多功能能源用表模块的通信模块发送指定命令，随后接收多功能能源用表返回的数据，以相应的协议进行解析并打包发送至中继节点，中继节点再将数据发送到汇聚节点，汇聚节点通过lora外网将接收的多功能能源用表数据上传至远程服务器，解析成有用的信息存储在数据库，并智能监测每个接入多功能能源用表的状态，用户可以在终端对相应信息进行访问查询。

本发明的有益效果是：

1.多功能能源用表系统将lora技术引入抄表系统，利用其覆盖性广、通讯成本低、高效、实时的远程读取数据的特性，减少了能量消耗且保证了服务质量可靠，同时lora无线通信系统不需要运营商，系统架构简单，使得组网便捷。

2.多功能能源用表系统中在控制模块、通信模块、lora射频传输模块和lora网关等模块都使用了能切换工作模式低功耗lora芯片，提高了硬件设备的使用寿命，可用性大大增强。

3.多功能能源用表系统中将智能电表、水表、燃气表集成在一个系统，共用一个lora网络系统，使得多表管理更加规范、容易，进一步减少了系统功耗，降低了用户的开销和操作难度。

附图说明

图1本发明所述的多功能能源用表系统结构图；

图2本发明所述的lora低功耗设备工作流程图；

图3本发明所述智能电表结构示意图；

图4本发明所述智能水表结构示意图；

图5本发明所述智能燃气表结构示意图；

图6本发明所述中继节点结构示意图；

图7本发明所述汇聚节点结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案的效果以及优势更加清楚明了，以下将结合附图和具体实施例对本发明的基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统设计方法进行更详细的说明。

参见图1，本发明的一种基于lora的智能低功耗多功能能源用表系统结构，包括居民楼多功能能源用表模块(智能电表、智能水表和智能燃气表1)，lora射频传输模块(采集节点2，lora数据采集控制器3)，lora网关模块(中继节点4，汇聚节点5，lora外网6)，远程服务器模块(远程服务器7，远程终端8)。

本实例中，多功能能源用表模块包括智能电表、智能水表和智能燃气表1，所述智能电表模块包括控制模块、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块；所述智能水表模块包括控制模块、电磁水阀、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块；所述智能燃气表模块包括控制模块、燃气阀、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块。lora射频传输模块包括采集节点2、lora数据采集控制器3和总线，所述lora数据采集控制器由电源模块、lorasx1278射频模块、控制电路模块、jtag接口模块和总线接口模块组成；所述的传输总线为rs-485串行总线。lora网关模块包括中继节点4、汇聚节点5、lora外网6，所述汇聚节点与中继节点由电源模块、lorasx1278射频模块、jtag接口模块和总线接口模块组成。远程服务器模块包括远程服务器7和远程终端8。

参见图2，本发明所述的lora低功耗设备工作流程图，采用传感器的mac层控制算法，实现周期性的工作/待机模式进行转换，利用异步唤醒机制，各设备维持自己的工作和待机周期，在发送状态下，需要发送数据的设备持续发送一段前导码preamble唤醒信号，接收设备周期性检测是否接收到唤醒信号，如果接收到唤醒信号，接着进行地址确认，确认无误后与发送节点进行数据传输。发送流程为：lora芯片在发送前一直处于待机状态，在初始化模块后，先将数据写入芯片存储器，然后由待机状态切换为发送状态将lora数据调制发送出去，发送完毕后射频模块会产生一次中断，由发送状态转变为待机状态；在接收状态下，lora设备会在给定的时间段内搜索lora数据帧中的前导码preamble，如果在这时间段内没有搜索到，则会产生一次中断，由接收状态切换为待机状态，如果数据接收完毕，crc校验码会失效，此时同样会产生一次中断，由接收状态切换为待机状态。因此，lora数据包的传输时间为唤醒过程中前导码preamble传输时间和数据包传输时间之和，tdate＝tpreamble+tpayload，其中tpreamble为前导码preamble传输时间，tpreamble＝(4.25+npreamble)×ts，npreamble为前导码长度；tpayload为数据包传输时间，sf为扩频因子，ts为码元传输速率，pl为传输字节数，h取“1”或“0”(无报头和有报头)，de取“1”或“0”，cr为编码率(取1至4)。

智能电表模块、智能水表模块和智能燃气表模块1用于记录和控制用户能源使用状态，lora射频传输模块与居民楼内的能源用表模块通过总线连接；lora数据采集控制器3用于控制采集节点2对多功能能源用表模块的通信模块发送指定命令，随后接收多功能能源用表返回的数据，以相应的协议进行解析并打包发送至中继节点4；中继节点4用于将数据发送到汇聚节点5；汇聚节点5用于将接收的多功能能源用表数据上传至远程服务器7；lora外网6用于连接汇聚节点和远程服务器；远程服务器7用于将接收的数据解析成有用的信息存储在数据库，并智能监测每个接入多功能能源用表的状态；远程终端8用于提供授权用户访问多功能能源用表状态信息。

参见图3、图4、图5，本发明所述的智能电表、水表、燃气表结构示意图；都包括控制模块、通信模块、计量模块、时钟模块、存储模块、显示模块和电源模块。智能用表模块都使用低功耗的芯片，控制模块的处理器单元使用stm32f103芯片，通信模块使用sx1278作为无线通讯芯片，存储模块使用sdram存储，时钟模块使用ds1302时钟电路结构；多功能智能用表模块提供可靠的安全机制，智能电表的控制模块可以手动或自动实现开启或关闭电源，智能水表模块中有电磁水阀，可通过电磁水阀手动或自动实现开启或关闭水阀功能，智能燃气表模块中有燃气阀，可通过燃气阀手动或自动实现开启或关闭燃气阀功能。智能电表、水表、燃气表的抄表工作模式为：记录电、水、燃气的流量，将数据存储在存储模块，当接收到射频传输模块的命令后将数据传输给采集节点。

参见图6、图7，本发明所述的中继节点和汇聚节点结构示意图，包括stm32f103处理器单元、sx1278射频模块、存储模块、电源模块、jtag接口模块、rs-485总线模块、lora外网模块。lora射频传输模块中的lora数据采集控制器控制采集节点对多功能能源用表模块的通信模块发送指定命令(射频传输模块与能源用表模块之间的通信方式是通过发送命令帧和答复命令帧的方法实现，各发送命令帧为：0x0100(读取多功能用表的基本信息)，0x0101(读取当前多功能用表的状态信息)，0x0200(读取多功能用表本月使用量)，0x0201(读取多功能用表历史使用量)，各答复命令帧为：0x0110，0x0111，0x0210，0x0211)，随后接收多功能能源用表返回的数据，以相应的协议进行解析并打包发送至中继节点，中继节点再将数据发送到汇聚节点，汇聚节点通过lora外网将接收的多功能能源用表数据上传至远程服务器，解析成有用的信息存储在数据库，并智能监测每个接入多功能能源用表的状态，用户可以在终端对相应信息进行访问查询。

远程服务器模块包括设备控制服务、数据采集服务以及其他服务，远程服务器与汇聚节点通过lora外网建立通信，它监测每个接入多功能能源用表的状态，可以控制射频模块对多功能能源用表进行数据采集，它完成有用信息的采集和整理，将其存储在数据库，为能源供给单位和授权用户提供终端查询访问服务。