基于LoRa自组网的电能采集系统设计与实现_陈德富.pdf

设计与应用计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。作者简介：陈德富（），男，江苏盐城人，博士研究生，讲师，主要从事物联网理论、嵌入式系统、数据智能方向的研究。引用格式：陈德富，刘小湖，周旭文，等基于 自组网的电能采集系统设计与实现计算机测量与控制，（）：，文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：基于 自组网的电能采集系统设计与实现陈德富，刘小湖，周旭文，邱宝象，吴华君，屈亮亮（浙江工业大学 信息工程学院，杭州 ；万向钱潮股份有限公司，杭州 ）摘要：为了实现用电设备运行状况的远程监测，需要对设备运行时的电能参数进行采集并上报至云平台；针对上述目的，本项目设计了一种基于 自组网技术的电能采集系统，整个系统主要由数据采集节点和集中器组成；数据 采 集 节 点 采 用 电能计量芯片实现负载电能数据的精确采集，并通过 通信模块将数据发送至集中器；集中器采用了基于 通信模块和 通信模块的双模组设计，通过 模块接收节点上报的数据，并通过 模块转发至物联网云平台；本系统利用 载波侦听技术设计了基于 的星型自组网络，实现了节点与集中器间的无线通信，适用于低成本、小规模的远程电能数据采集系统；通过实验验证，该方案的数据采集功能、自组网通信功能和 通信功能均能够正常实现，达到了设计目标。关键词：电能采集；通信；载波侦听；星型自组网 ，（，；，）：，：；引言电能是当前社会活动的必需能源之一，随着社会经济的发展，电气设备日渐增多。然而各种设备分布广泛，使人们难以获取设备的实时用电信息和运行状态，从而造成了电能的浪费。物联网技术为这一难题带来了解决方案，然而当前各种物联网模组价格、性能不一，适用的场景也不尽相同，因此设计出一种低成本的、满足特定场景需求的远程电能采集系统对能源的可持续发展具有重要意义。目前广 泛 使 用 的 物 联 网 通 信 模 组 主 要 有 蓝 牙、和 等。其中，蓝牙和 虽然已经发展出了成熟的开发协议栈，但它们的实测通信距离通常不足二十米，并且易受障碍物的影响，因此主要用于短距离通信的智能家居等领域。和 通信距离较远，是低功耗广域网中最开放和成熟的技术，目前广泛用于水表、电表等远程无线抄表领域。虽然 具备覆盖广、连接多和低功耗等众多优势，但它构建于蜂窝网络，对基站的依赖性较高，并且需要定期向运营商支付流量费用，对开发和运行维护的成本需求较高。技术基于开放频段，可按需构建自主网络，具有高度的自主性、可扩展性、灵活性和运行成本低等众多优势，因此 通信技术成为了首选。无线传感器网络由具有无线收发功能的终端节点构成，网络中的节点根据预设的算法和协议获取信道资源，实现数据传输。与传统中心式的蜂窝网络不同，无线自组网无需大型基站或网络设施的支持，能够迅速、灵活、高效地部署网络终端设备。目前，市场上的 无线网络开发方投稿网址：计算机测量与控制第 卷 案主要有基于 协议和基于 网关两种方式，协议主要针对星型拓扑结构，但并不适用于小规模的无线传感器网络；网关可同时提供了个下行信道，传输距离可达几公里，但目前的 网关成本高达几百元，并且开发难度大，因此也并不适用。综上所述，本文针对用电设备远程监控的问题，研究设计了一种基于 自组网技术的低成本的、适用于网络规模较小的电能数据采集系统。系统方案设计本文设计了一种基于 自组网的电能数据采集系统，该系统整体为集中式的星型网络架构，由一个集中器和若干终端节点组成。集中器的主要功能为通过 模块收集终端上传的传感器数据并通过 模块将数据打包上传至物联网云平台中；节点主要读取传感器中的电压电流数据，使用 模块按照特定的通信协议上传至集中器中。无线通信部分采用了基于 协议 的设计方法来实现节点与集中器的无线通信，使节点通过竞争信道的方式来获取信道资源，实现数据上传。集中器和节点均使用同样规格的 模块，采用这样的自组网设计方式，有效地降低了开发成本。系统总体框架图如图所示。图 应用电路原理图 节点硬件设计终端节点的核心硬件主要由微控制器电路、电能采集模块和 通信模块组成，节点的整体硬件结构如图所示。电能采集部分使用电压互感器和电流互感器对用电设备运行时的电压电流进行转换，将大电流信号转换到芯片可以处理的范围，使用 计量芯片 对转换后的电压电流进行采样处理，处理器通过 总线读 取 计 量 芯 片 内 部 的 寄 存 器 值。通 信 模 块 由 基 于 芯片 的 模组构成，处理器通过 总线与 模块进行通信。本文选用 型号芯片作为系统核心控制器，与稳压供电电路、串口通信接口、晶振电路和 通信接口构成微控制器电路。芯片的最高工作频率可达 ，具有 字 节 的 可 编 程 空间和 字节的 空间，并支持 、等多种通信方式的外设，完全满足实现本项目的硬件和软件设计的性能需求。电 能 采 集 电 路 采 用 精 密 的 电压互感器和电流互感器 对 交流电压实现：的电压转换，对交流电流实现：的比例转换。芯片图系统框图图节点硬件结构图与微控制器的 、和 引脚相连，电能采集电路的原理图如图所示。该芯片是一款单相多功能专用计量芯片，能测量有功功率、无功功率、有功能量以及无功能量；同时提供两路独立的有功功率有效值、电压有效值、线频率和过零中断；支持全数字的增益、相位和直流偏置校正，并提供串行通信接口投稿网址：第期陈德富，等：基于 自组网的电能采集系统设计与实现 和 ；内嵌的电源监测电路，能保证上电和断电时芯片工作的可靠性。因此，满足本系统的电能采集需求。通信模块采用了安信可公司所设计的 型号的 模组，与微控制器的 引脚相连进行通信。该模组基于 芯片，支持 至 的通信频段，支持种调制方式，适用于长距离的扩频无线通信，理论通信距离可到达五公里，具有较强的抗干扰能力和高可靠性，接收灵敏度理论可达到 ，并支持最高 的发射功率。同时，该模块还具备低功耗的特性，在接收模式下电流为 ，待机状态下的电流仅为至。集中器硬件设计集中器的核心硬件主要由微控制器电路、通信电路和 通信模块组成，其中，微控制器电路和 通信模块采用与节点相同的设计方案。为了便于系统开发，通信电路则直接采用基于移远公司的 模块进行设计。模块与 的 串口的 引脚和 引脚相连接，通过串口向模块发送特定的指令字符串与模块进行通信，用于控制 模块的工作和数据发送。集中器通过 通信模块接收各节点上发的数据包并解析，然后将各节点数据封装成 协议支持的格式，上传至阿里云平台。网络结构设计本文设计了基于星型拓扑结构的无线传感器网络，星型网络是具有低时延的简单网络结构，消除了网络同步开销和跳数。由于 模块本身具备较远的通信距离，这使得 节点无需像网状网络一样依靠中继节点和路由协议实现与远端网关的通信，大大降低了 传感器网络的复杂度和开发难度，不需要设计庞大的网状结构来覆盖更大的范围。网络拓扑结构如图所示。图网络拓扑结构 协议 协议源于 协议，是一种基于竞争的带冲突避免的载波监听多址访问协议。协议规定，节点在发送数据前首先使用载波侦听计数对当前信道进行检测，当信道空闲时，则延迟一次等待帧间间隔（）后再次检测，若信道仍然空闲，节点则获取当前退避窗口内的一个随机退避值并进入退避阶段。在退避阶段，节点根据退避值进行退避计数，每过一个时隙（），若信道仍然保持空闲，则退避值减。直到退避值减为，表明节点成功竞争到信道，允许发送数据帧（），若节点在短帧间间隔（）内没有接收到应答帧（），说明当前通信发送碰撞，则节点根据预设的退避算法调整退避窗口（）的值以减小下一次通信发生冲突的概率。在退避阶段中，若节点检测到信道忙碌，则挂起当前退避值，等待下一次信道空闲再重新进入退避阶段。图展示了基本的基于 通信机制的两节点竞争通信过程。图节点工作时序图其中，短帧间间隔（）是节点处理协议的最短时间，用来保证节点对信道的占用，以顺利完成帧数据的交换。由图可知，被用作 帧之后，的大小由式（）确定。其中，、为射频接收延时，为节点处理 协议产生的延时，为射频收发模式的转换时间。（）时隙（）是 协议中的最小时间单位，协议中所有的时间都是其整数倍。等待帧间间隔（）是节点判定信道空闲的最小持续时间，当检测到信道持续空闲 时间后，节点才能执行下一步的退避操作。的大小由式（）确定。（）握手机制在无线网络通信中，由于无线信号的覆盖范围有限，会存在隐藏终端的问题。假设节点、同时位于集中器的覆盖范围之内，而和彼此间信号不相互覆盖。当正在向发送数据的时，由于节点侦听不到的载波，此时它会认为信道处于空闲从而接入信道。这就会造成集中器在接收的数据帧时发生冲突，从而降低了信道吞吐量。本文采用 握手机制来解决隐藏终端的问题。当节点需要发送数据时，首先向集中器发送一个简短的 请求握手帧，然后集中器会立即向节点发送一个简短的 帧进行回应，当节点接收 信号时，表明握手成功可以继续发送数据帧，从而避免了直接发送较长的数据帧时因碰撞而造成较长时间的信道资源的浪费。因此，本文采用了 的通信机制来克服上述问题。退避算法在 协议中，退避算法的主要作用是为了保证网络中各节点公平地进行数据发送，当节点间通信发生碰撞或通信成功时，退避算法则会调整当前退避窗口，以投稿网址：计算机测量与控制第 卷 减少冲突和延迟、提高吞吐量、提高网络性能。二进制指数退避算法（）是最经典的退避算法。当节点通信发生冲突时，算法将当前竞争窗口值乘以，若己达到最大值，则不再增加。当通信成功时，则将竞争窗口值下降至最小值，节点随机退避值的取值范围则为 到之间的随机值，算法如式（）所示。节点通信成功或超出最大重传次数 （，）节点通信发生冲突（）在发生冲突时，虽然 算法的倍乘操作能快速有效的解决冲突，但当数据发送成功时，它直接将竞争窗口重置为最小值，这样总是使得上次发送成功的节点获取到最大的竞争优先权，这样可能会导致网络中的不公平现象，甚至出现信道一直被某一节点占用，从而导致其它节点无法竞争到信道的极端情况。为解决 算法存在的缺陷，目前提出了一系列改进的退避算法，如 、和 等。算法调整了冲突和成功时竞争窗口的更新规律，当节点产生冲突，则将当前竞争窗口乘以乘法因子，当节点交互成功或是竞争窗口值达到上限后，采用线性递减的方法，将竞争窗口值减去一个线性因子，使线性下降，如式（）所示。该算法使得的变化更加缓慢，克服了 的极端不公平性。和 算法也采用了类似的思想，即发生碰撞时，通过扩大竞争窗口以快速摆脱冲突，通信成功时缓慢减小竞争窗口，同时也保证了一定的公平性。（，）节点通信成功 （，）节点通信冲突（）网络参数确定由前文可知，协议中有 、三个重要的时间参数。在基于 模块的 通信机制设计中，上述参数的确定与 模块的工作参数密切相关。主要由扩频因子（）、带宽（）、编码率（）决定，不同的参数配置会导致时隙和各帧间间隔不同，若没有匹配合适的时隙与帧间间隔，则会导致网络性能的降低。在本文的系统设计中，模块的工作参数均设置为 ，前导码长度 ，即在数据速率 的条件下，确定系统时隙和帧间间隔的取值。时隙 的确定方法为：当某节点在某时隙向信道中发送数据后，在下一个时隙前，其它节点都能检测到信道已经转变为忙碌状态。因此，上一时隙 数据包中的前导码部分在信道中的传输时长与下一时隙节点 检测信道的时长就决定了时隙长度，时隙长度应大于等于二者中较长者。根据 芯片手册，前导码的传输时间由式（）确定，有 参数计算可得，前导码的传输时间约为 。检测时长与 参数的关系如表所示。因此，本文选择将 的大小设置为 。（）（）表 检测时长与（）、的关系 的大小由射频接收延时、协议解析处理协延时和射频收发模式的转换延时共同确定。根据 芯片手册可知，射频接收延时和射频收发模式转换的时间都是微小的，通常不足。经过实验测试，单片机处理 协议的延时通常在 左右。因此，本文将 的大小确定为 。最后根据式（），将 的大小确定为 。网络性能仿真常用的网络性能评估标准有吞吐量、网络利用率、数据丢包率等指标，本文在 中实现了 协议的仿真，在随着系统节点的不断增加的情况下，测试了第小节中的种不同退避算法，并比较其网络利用率的性能表现。设定一个具有个节点的星型网络拓扑环境，节点需要随机