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黄豫明

安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：针对基于ZigBee技术实现的无线抄表系统传输距离近、抗干扰能力弱等问题，设计了一种基于LoRa的新型远程抄表系统。该远程抄表系统由路由模块、中继器及表端模块组 成，这三大模块均使用低功耗射频芯片SX1278。在抄表过程中，针对该系统提出了4种路径探测命令帧。该系统能将集中器端的无线信号进行中继转发至表端，延长无线通信距离。 测试结果表明，该抄表系统稳定可靠、抄表范围广、组网时间短，具有广泛的应用前景。

关键词: 远程抄表；LoRa；SX1278；探测命令帧

1 系统总体设计方案

基于LoRa的远程抄表系统由路由模块、中继器、电能表组成。路由模块对电能表集中管理，并且负责对电能表的数据抄读；中继器负责为电能表中继无线信号；电能表为系统的从设备，也是中心设备，所有其他设备都是为了抄读电能表的计量数据服务。系统运行时，由于电能表安装的物理范围广，必然存在直抄近端区及中继远端区这两种情况。对于直抄近端区，可以通过无线模块直接抄读；对于中继远端区，需要通过中继器进行无线数据转发，系统设计框图。

基于LoRa的远程抄表系统采用的网络为主从式，由路由模块集中管理中继器、电能表。在这里把网络构建分成两部分：路径探测请求流程和路径探测响应流程。路径探测请求流程由路由模块发起，采用洪泛广播的方式传输，中继器在接收到路径探测请求帧后，根据其内容进行选择性中继转发，中继至表端，这也就是请求抄表的过程，通过路径探测请求流程来寻找抄表的路径。路径探测响应流程由末端中继器发起，中继器在接收到表端的路径探测响应帧后，根据自身存储的中继路径构建路径探测响应帧回传给路由模块，采用单播的方式传输，一旦路由模块接收到路径探测响应帧，就可以确定该路径能够实现抄表。

4各路径探测命令帧解析

在进行路径探测的过程中需要发送一些探测命令帧，发送探测命令帧的过程就是寻找 路径的过程，通过探测命令帧的回复可以确定该路径是否能实现抄表。在本文的设计中提出的探测命令帧有4种：发起路径探测请求帧、中继路径探测请求帧、发起路径探测响应帧、中继路径探测响应帧。

4.1 发起路径探测请求帧

在发起路径探测请求帧之前首先要确定路由探测请求帧的各项参数：网络规模(S)、时隙号、允许中继次数(DM)、当前中继次数（DC），这些参数的确定在路径探测过程中是较为重要的。确定新建网络的规模就是确定中继器的个数，假设系统所有表档案数为300，其中10%的表端需要安装中继器来完成信号的中继，则中继个数为31，即S=31。将一个超帧中的时隙总数NS设置为网络规模，即NS=S。中心节点的时隙号设置为0。允许的中继次数是指路由模块需要探测表端的n级中继路径，路由模块在发送完路径探测请求帧命令后，等待一个RT来判断是否探测成功。

RT=(DM×S×BS+2×DM×ST)+3×IT(1)

式中BS是标准时隙时间为，300ms；ST是发送路径探测命令消耗时间；IT是指当前中继器记录多条路径时，发送每条路径探测命令响应帧的间隔时间。对于当前中继次数（DC），每中继一次DC加1。

4.2 中继路径探测请求帧

中继器在接收到中继路径探测命令后，根据探测命令的参数来判断是否继续转发，中继器可并行处理3个不同网络、不同目标节点的路径探测命令请求帧，每条命令处理流程独立进行，互不影响。在处理前首先要检查该目标节点的路径探测请求帧是否已经转发、当前的中继次 数是否大于允许中继次数以及命令帧中的中继列表是否已经包含自己。处理流程图如图6所示。

图6 中继路径探测请求帧处理流程图

在图6中涉及发送时隙的计算，发送时隙的计算会因不同节点发出的路径探测命令而不同。若接收到的为中心节点发出的路径探测命令，则：

WT=CS×BS+ST(2)

若接收到的为中继器发出的路径探测命令，则：

WT=CS×BS+ST+(S-RS)×BS(3)

发送路径探测命令后会有一个回复也就是路径探测响应帧，这就涉及路径探测响应帧等待时间，计算如下：

RW=(DM-DC+1)×S×BS+3×IT(4)

其中，IT =1s。

4.3 发起路径探测响应帧

中继器在接收到表端模块的路径探测请求帧的响应命令后，发起路径探测响应命令，其流程图如图7所示。

图7 发起路径探测响应帧流程图

在图7中若查询到记录有路径探测请求帧，则选择记录的路径构建路径探测响应帧，然后将选择的路径探测命令进行反向传输，填充下行报文，中继级数为上行报文的中继列表数，当前中继索引等于中继大级数。

4.4 中继路径探测响应帧

中继器在接收到路径探测响应帧后，检查路径探测响应帧中的上行报文的中继列表地址，判断当前中继索引对应的中继地址是否为本中继器地址，然后根据中继列表计算下一级中继地址，填充下行报文信息，转发给下一级中继器。

5抄表流程设计

集中器下发对单个表端的抄表命令后，路由首先判断目标节点是不是在档案中存在，没有则返回否认帧，依次用存放的路径去抄读，直到抄到数据或者路径全部用完为止，流程图如图 8 所示。如果所有的路径都用完后还没有抄到数据，则不再探测新的路径，直接返回否认帧。

图8 抄表流程设计框图

6数据分析

为了测试该路径探测方法的有效性，对公司园区内500个电表进行了大量组网测试。表2是窄带载波和LoRa 两种不同组网机制在同一组网环境下的组网时间和中继深度。

表2 组内对比（取均值）

表3是基于LoRa的路径探测方法在园区内的组网结果，

表3 LoRa园区组内测试结果（取均值）

可以看出网络的中继深度为3级，点对点直抄回的电表数量为342个，一级中继抄回的电表数量为83个，二级中继抄回的电表数为52个，三级中继抄回的电表数为23个，园区内的500个电表都能抄回。从表2、表3可以得出，该远程抄表系统能够在较短的时间内完成组网，网络的复杂度也低于窄带载波，组网范围广，组网稳定，抄表率也高。

7安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台

7.1 系统方案

系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。

7.2 系统功能

AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。   本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。

远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。

水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。

远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数防止作弊，方便快捷。

能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。

在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。

短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。

远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。

7.3 产品选型

8结束语

本文所设计的基于SX1278的新型远程抄表系统性能稳定，功耗低，组网速度快，能以较小的中继深度完成组网，网络复杂度低，能有效解决电能表安装物理范围广或地区遮挡物较为严重时数据不能抄读的问题。该系统已成功应用于抄表行业中，这对于将LoRa 技术广泛应用于抄表行业打下了基础，具有良好的实用价值。

【参考文献】

[1] 赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24(9)：298-301.

[2] 肖思琪，全惠敏，钟晓先.基于LoRa的远程抄表系统的设计与实现.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06

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