0  引言

    电能表、水表、燃气表和热量表（以下简称“民用四表”）是各类能源数据采集和计量计费的主要依据，是能源一体化采集和智能管理的关键设备。过去由于各业务部门一直保持着孤岛运转状态，相互独立不连通，但在“互联网+”时代，在国家政策的推动下，各系统都应朝着集约化方向发展，避免同功能系统的重复建设，浪费国家投资。四表合一的难点在前端采集通信部分，选择一种通信方式能灵活便捷地将大量数据融合采集，通信方式应该具备足够的带宽、抗干扰性、可自组网性及满足不同品牌设备的互联互通，解决传统用采通信的大容量、广覆盖、低成本、低功耗发展的瓶颈。有线通信肯定是无法满足应用需求，从建设角度出发就直接排除；无线方式为目前可选方案，但无线技术层出不穷，有根据距离划分的长、中、短距离无线通信方式，有根据频段划分的2G公网、1800M专网、230M专网、470M传感网，有根据组网划分的集中式组网和自组网等，四表合一应根据自身接入环境、设备性能、网络要求选择自适应的计量通信方式。

1  四表计量通信系统存在的问题

    四类表计在计量通信过程中都会存在各自的问题，由于表计部署位置及采集量的大小都会对通信方式提出要求，下面分析总结各类表计的发展瓶颈。

    （1）电表通信性能有待提升

    目前用电信息采集系统的采集覆盖率已基本达到100%，平均每天能够采集到的基础用电信息为1.12 TB，海量的用电信息采集数据的源头是智能电能表，智能电能表的通信速率以及成功率影响着整个用电信息采集系统的运行质量。用户双向实时交互等业务的开展也对智能电能表数据的吞吐量提出了较高的要求，传统智能电能表的通信方式已经受到了前所未有的挑战。

    （2）水表通信技术急需完善

    智能水表的技术壁垒较高，在无线通信方面，水表的入网无人负责，各类表计、集中器等采集设备的通信质量也难以监测；此外，水表自身射频性能不稳定，外部环境通信频段资源紧缺，缺少统一的通信网络通道，且各企业生产的水表大多只能与自有的系统相通，无法实现各品牌表计间的互联互通，严重影响了水表远传自动抄表技术的发展。

    （3）气表智能化程度有待提高

    随着阶梯气价的推广与实施，传统以气量为基础进行计价的机械表和IC卡预付表将难以适应这一新的计量方式，以金额为基础计价的IC卡表和互联网智能燃气表将成为行业的发展趋势。气表发展模式逐步向电表接近。但目前燃气管网支线建设过多，不仅增加了企业的供气成本，而且由于不同支线建设厂商不同，严重影响了燃气管道的互联互通。因此，应进一步优化通信网建设，提升管网运营效率，降低管理成本，实现通信资源的综合调配和优化配置。

    （4）热表计自动化水平有待提升

    目前热量表仅在北方较普及，智能化、自动化水平大都较低，难以满足用户对供暖控制的相关需求，无法实现供热等级的自主调节，应以满足用户舒适度为出发点，大幅提升热量表智能化水平，在提升用户供暖体验的基础上，进一步减少通道建设资源浪费，实现节能减排。

    分析了四类表计在智能化、自动化、集约化方面新的需求，要实现功能的多样化，需采集数据做基础支撑，应提供足够带宽的通信通道将数据有序上传。下面通过技术对比选择性能更贴近需求的通信方式来实现四表合一计量数据采集系统。

2  LoRa传输性能分析及在用采系统的适用性

    四表融合采集系统类似于物联网业务采集，布点位置零散，数量庞大，单点数据量小，加之电力系统的安全性和时延性要求，长距离无线方式明显不适用于此应用场景，可以排除考虑。剩下的中短距离通信中，无线传感网络虽然是物联网应用的首选，但在安全性和抗干扰方面也存在很大风险，尤其频点在470 MHz左右，是多工业业务共用的频点，在民用公共场合里会有较多的同频传输干扰。综合分析后，剩下的物联网无线专网就是NB-IoT和LoRa网络适合，下面针对两种通信方式进行简单的比选。

    LoRa是美国Semtech提出并研究的LPWA技术，2013年8月发布了一种新型的基于1 GHz以下的超长距低功耗数据传输技术（Long Range，简称LoRa）的芯片。它使用线性调频扩频空中唤醒技术，既实现了低功耗特性，又增加了通信距离，通过不同扩频序列消除码间干扰。NB-IoT是具有低带宽、低功耗、远距离通信、广覆盖、海量连接的物联网技术，是适合企业部署的一种物联网技术。两种技术的优略势比较如表1所示。

    通过表1可知，LoRa的覆盖距离要比NB-IoT远一些，抗干扰能力更强，低功耗采用空中唤醒技术，比缩减数据帧更加具有实际意义，针对小区表计部署复杂环境，综合考虑，LoRa优选型更大些。下面针对LoRa典型技术进行充分研究，深入认识LoRa的技术优势。在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

    （1）LoRa数据包根据调制解调方式分为两种形式：显示和隐式。计量系统中为安全性要求选择隐式方式，主要由前导码、报头、有效负载组成。前导码用于传输设备和数据之间的同步，前导码设置了最小允许长度和可变长度，可变长度主要用在空中唤醒中。报头主要包含有效负载的字节数、前向纠错码率和 CRC 校验，隐式模式下数据包有效负载长度是通过寄存器来决定的。

    （2）LoRa网络结构采用远距离星型结构，中间通过核心网关连接，针对节点位置隐蔽或者与网关距离太远的情况，可加中继进行透传跳转，实现远距离大连接。为提升架构的灵活性和自愈性，节点并不与特定的网关连接，单个网关理论上可以接收80 000个节点，某个节点发出的数据可以被多个网关接收，当某个网关失效时，上传数据不会丢失，保障数据的完整性，服务器端可通过时间表来剔除多个网关发来的重复数据。

    （3）跳频技术是NB技术缺少的，它能够在收发双方同步的情况下，按照事先约好的跳频图案跳转通信频率。通过广播形式接收前导码，首先在信道起始0发送，完成报头接收后发出中断信号，按照事先约定的频点到n，报文跳转后，完成一个周期的跳频流程。后续继续重复上述过程。调频的好处是可以自适应选择信道条件较好的通道，防止各类型传输干扰，尤其针对四表合一这种融合数据传输，码间干扰或者串扰都会降低数据传输质量。

    （4）在星型的网络结构中，为了延长电池寿命，终端节点通常需要唤醒来进行数据传输。唤醒方式不同，数据的传输方式也不同，可分为主动唤醒和空中唤醒技术，四表合一适合采用空中唤醒技术。网络中的节点设置固定休眠时间，每个周期会主动唤醒一次，自动检测网关是否发送来前导码。当接收到后，立即唤醒中止休眠期，发送处理报文数据，执行完毕后，再次进入休眠周期；当节点唤醒后没有检测到前导码，为降低时延，立即进入休眠状态。

    LoRa网络具备的技术特性、参数性能更符合四表合一数据接入需求，超大连接性能可实现数量庞大表计覆盖，空中唤醒功能能降低设备功耗，跳频技术能避除不同表计间数据传输干扰，并可在复杂的楼道环境里优选通信通道，可见LoRa技术各方面都非常适用于四表合一计量应用场景中。

3  基于LoRa技术的四表合一架构部署

    四表合一一体化采集系统架构如图1所示，基本选择以电表用采系统架构为基础进行升级改造，每个表计都内嵌LoRa无线通信模块，电表采集方式仍然保持不变，其他三类表计由于数据传输格式不统一，因此需新装或换装通信接口转换器。通信接口转换器下行通过LoRa无线与水气热表通信，上行同样采用LoRa与采集器通信。上下行保持一致的通信方式简化了网络结构，并且缩短了技术切换时间。

    架构分为4层，即终端层、采集层、传输层、主站层，通信的重点在本地采集层和远端传送层。本地化通信都是采用LoRa技术，因此本地化终端中都需内嵌LoRa无线模块，或者采用独立CPE方式外挂也可以，尤其针对一些设备无法互联互通的，只能通过外挂形式接入到无线网络中，需加载无线模块的有四表、转换器、采集器、集中器。除此之外，转换器和采集器类似于网络中继，形成网络拉远多跳，将较封闭的表计业务也能延伸传输。集中器是本地化通信的核心，类似于LoRa网络中的网关，具备对下属节点的灵活管控，集中器除了接收本区域内的表计，还可接收邻区表计数据。LoRa带宽大，用采数据量小，为保障数据完整性，可重复接收同样的数据。在四表合一管控主站会对同一区域内表计节点进行分区，设置成不同频道，在不同频点上无线传输，降低码间相互干扰。新加入的表计节点会设置初始网络数，集中器会向下广播自身的网络数，表计对比后，如果一致则主动加入网络，否则自动抛弃。LoRa还具备监听射频空中信道功能，在硬件上增加了无线防碰撞机制，有效解决了周围其他无线系统同频干扰问题，尤其对小区住户密集的场景，能体现出其较好的优势。

    集中器中安装有下行和上行的通信模块，相互独立，互不干扰，并可通过驱动程序进行快速软切换，切换时延几乎为0。集中器上行远传系统承载在电力无线专网上，四表数据融合传输到后台主站，主站间的互联互通实现其他三类业务的分发和传输。主站网络的物理结构主要由数据库服务器、磁盘阵列、云平台服务器集群、应用服务器集群、统一接口平台服务器集群、前置通信服务器集群（包括通信前置机服务器、通信网关服务器、负载均衡器等）、防火墙设备以及相关的网络设备组成。不同业务系统间利用防火墙及安全隔离装置进行安全防护，保障数据间的串扰和完整。

4  LoRa通信模块软硬件组成

    要实现以上基于LoRa的通信系统结构，核心部件在于通信模块，本节重点研究LoRa通信模块软硬件组成及功能实现。系统运行图如图2所示，该系统以集中器为中心，构建自上而下的数据采集网络，采集器和转换器作为本地数据采集设备，下行具有M-BUS总线、RS485总线、各种其他无线等通信方式，能对电、水、气、热表各数据节点进行实时采集，同时可用红外、USB等接口进行本地维护。

    通信模块是一个嵌入式产品，需要软硬件协同工作，软件工作于硬件之上，实现数据处理功能。硬件结构主要由控制模块（MCU）、本地通信模块LoRa无线、电源转换模块（AC-DC、DC-DC）、存储、时钟、红外接口、显示模块（LED）、载波接口、RS485总线、M-BUS总线主机、M-BUS总线从机、USB和秒脉冲输出组成。MCU主控芯片选择的是ARM 64位微处理器，能够满足四表采集所需内存空间，具有高速可擦写SDRAM模块，MCU设置睡眠、监听和运行3种模式，进一步降低运行功耗。硬件结构框图如图3所示。

    硬件接收电压设置为22 V≤V_mark≤42 V，发送电流设置为I_mark+11 mA≤I_space≤I_mark+20 mA，输入电压(V_B1-V_B2) 为±50 V，I_bus为1.32 mA，波特率最大为38 400 b/s，接收电压为22 V≤V_mark≤42 V，10 V≤ΔV≤12 V，发送电流为12.5 mA≤ΔI≤18 mA，运行温度为-40℃ ~-85℃。为保障设备的可扩展性和网络兼容性，硬件设置多种拓展接口，可随时加载模块而接入其他网络。网关和中继器在接口侧有很大的不同，上下行连接的设备位置和性质不一致，可灵活配置对外接口，并且中继器仅仅是透传功能，无需存储或缓存，因此电表和中继的通信模块更加简约。

    本系统软件设计采用实时操作系统，它以任务调度机制为核心，采集节点采用休眠－唤醒－休眠的循环工作模式，有效降低了系统功耗。软件协议分为物理层、数据通道层和应用层，重点在数据通道层，实现协议解析、插入检测、缓冲功能、时钟对时、远程升级、参数设置等，下面对几个典型的软件模块进行详细说明。

    （1）上行协议解析

    采集器支持接收多种上行协议帧，会根据不同端口来的协议帧进行相应处理，包括DL/T645协议、扩展DL/T645协议、扩展Q/GDW376.2、宽带模块协议，如图4所示。

    （2）下行协议解析

    通过解析上行帧645帧，判断其是水、气、热数据采集188帧或全透明封包帧或电能表数据采集数据帧，如图5所示。

    通过数据的转换和解析，才能实现底层数据的融合传输，将其他三类表计数据转换为格式统一的数据在通道中协同传输，便于物理层、链路层的分帧、分包传输，链路两端设备能统一解析和识别。

5  测试

    为了验证基于LoRa技术的抄表系统的可行性和稳定性，进行大量的试验测试，并对测试数据进行了详细的筛选与统计，现将目前测试数据汇总如下。

    （1）速率测试

    通过利用路测工具，模拟信号源发送上下行数据，读取截取终端接收和发送信号的强度，并进行转换，获得上行速率10.543 kb/s，下行速率15.765 kb/s，符合理论值要求。

    （2）时延测试

    设置初始条件，下行编码速率等级5，上行编码速率等级9，包大小128 B，测量10次接收时间并取平均，下行时延1.25 s，上行时延1.75 s。

    （3）抄表成功率测试

    测试了点抄过程，对一次抄表成功率进行了统计，总共抄了24块表，6组，一共抄收了1 000次，平均抄收成功率达到99.75%，满足集抄要求。

    （4）功耗测试

    选择不同的通信频段，230 MHz、470 MHz、510 MHz，分别测试各频段的终端模块功率损耗，测试结果分别为1.3、1.4、1.5，可见频点越高，功耗会相应增加。

    通过测试全面验证了LoRa方案无线覆盖性能、速率、时延、功耗、可靠性及端到端业务上的表现，充分展示了LoRa解决方案优势。

6  结论

    本文调研了四表合一应用和部署的现状，分析对比了NB-IoT和LoRa技术的性能参数，指出LoRa更加符合四表合一应用场景要求。重点研究LoRa跳频、自组网、空间唤醒等关键技术如何支撑实际应用，如何体现其优越性。在此基础上提出了基于LoRa的四表合一系统框架结构，阐述了集约化架构融合传输的特点，并对通信模块进行了软硬件设计，设定功能项及实现流程。通过模拟无线信号进行实验分析，对LoRa 的通信距离和低功耗特性进行了测试，并对抄表覆盖率及成功率等进行了验证，从结果分析，LoRa在自动融合抄表系统中能够达到很好的设计性能。本文的研究对四表合一的实施推广具有推动作用。

参考文献

[1] 王瑞,李跃忠．基于SX1278的水表端无线抄表控制器[J].电子质量,2015 (12):47-50.

[2] 彭瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协议——ZigBee[J]. 自动化仪表,2005,26(5):1-4.

[3] 孙川,王营冠,李振伟.基于无线传感网与移动通信网的网络融合模型[J].现代电子技术,2013 (7):4-7.

[4] 连瑞红, 薛毓强.基于 ZigBee 的远程无线抄表系统设计[J].电力与电工,2007, 27(1): 29-31.

[5] 张强.远程集中抄表系统应用研究[D].南京:南京理工大学, 2003.

[6] 周鑫,朱向东,于秀波.ZigBee远程无线抄表系统的设计[J].自动化仪表，2013(3):31-33.

[7] 闵华松，程志强，黄磊，等．基于RF的无线抄表系统设计[J].计算机测量与控制，2014(2):639-642.

[8] 陈盛，吕敏.电力用户用电信息采集系统及其应用[J].供用电，2011,28(4):38-41.

作者信息:

姚  志，田  瑞，严绍奎

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川750011）