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基于LoRa通信的大规模用电信息采集与传输系统设计

2024-10-18 53 上传者：管理员

摘要：为了解决当前用电信息采集与传输系统存在的通信距离近、数据包传输间隔长、数据丢包率高和系统可靠性差等问题，设计一种基于LoRa通信的大规模用电信息采集与传输系统。系统包含数据通信传输模块、数据采集模块、电源模块等关键硬件。以模块化理论为基础，通过LoRa通信技术设计数据传输与采集系统的软件程序，保证传输的质量和效率。实验结果表明：设计的系统通信距离远、数据包传输间隔短、数据丢包率低，系统的可靠性高。

关键词：
LoRa通信
丢包率
数据包传输
数据采集与传输
用电信息
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电力资源已经成为人们生活、工作中必不可少的一部分[1]，随着我国经济的不断发展，对于电力的需求量也在不断增高，电力系统中所有用电信息均保存在国家智能电网中，所以智能电网的信息采集端口必须具有稳定和快速的良好性能，并且必须确保采集的数据是真实无误的。目前的电力信息数据采集与通信方法都是低压配电线的形式，这种通信方式的优势是低成本和易实现，但噪声较大并且传输距离较短。2013年，国外开始推出一种可实现超长距离传输的芯片，即LoRa技术芯片[2]，引起国内外学者的注意。由于目前通信传输方法已经不能满足现有的应用场景，在专家的不懈努力下，我国在电力领域开始全面推进无线通信LoRa网络技术的研究，此项技术主要利用无线免费频段，因此具有功耗较低、通信距离远、抗干扰性能强以及信息传输时延短的优势，可以进一步加强通信的稳定性。相关学者利用该项技术的优势，对用电信息进行采集和传输。

吴洋[3]等人根据数据特性提出现场可编辑逻辑门阵列，利用该阵列对数据进行采集和储存。通过状态机得出关于数据传输的多个模块，利用AD芯片对数据进行传输和保存处理，实现大规模信息采集与传输。黎洁[4]等人首次对数据上行传输进行分析，得出信息的全部带宽信息以及用户的实时信息，根据自适应速率对数据进行分配，从而完成信息传输实现大规模信息的采集与传输。

为了解决以上方法中存在的通信距离近、数据包传输间隔长、数据丢包率高和系统可靠性差等问题。本文设计基于LoRa通信的大规模用电信息采集与传输系统。

1、系统的硬件设计

由于用电数据量急剧上升，产生的电磁效应是较为复杂的，因此在信息采集与传输系统的设计过程中，要严格遵循设计要求。结合系统开发设计经验，大规模用电信息采集与传输系统的设计要求如下：

(1）充分参考国内外相关系统的设计经验，确保所设计系统的总体方案可行；

(2）硬件部分，要在确保满足系统功能需求的情况下，尽可能使用独立的器件完成设计，便于后续的硬件调整；

(3）系统测试手段要多样化，充分利用先进标准对系统的信息采集与传输功能进行验证。系统的整体框架图如图1所示。

图1 系统硬件整体架构图

根据图1可知，大规模用电信息的采集和传输系统共分为三大结构，分别是LoRa无线接收单元[5]以及数据采集单元、电源电路。

1.1 LoRa无线接收单元

数据通信传输单元主要由终端控制器、网络服务器以及网关控制器三部分组成。

(1）终端控制器

终端控制器的主要作用就是接收和传送下层网络带来的电力数据，并与网关进行通信。

终端控制器由LoRa无线接收模块和中央处理模块S3C2410组成，其中LoRa无线接收模块主要负责与无线网络的连接和请求收发，并将其视为终端控制器与外界的连接口；中央处理模块是终端控制器的核心模块，根据物理串口以及通信协议将数据设备连接完成数据传输，并对终端节点任务进行调度，终端控制器如图2所示。

图2 终端控制器

(2）网关控制器

网关控制器的主要作用是对电力数据通信系统的无线网络构建进行管理，把控无线网络[6]中终端节点的通信质量，并接收来自终端的请求和与远程服务器的通信请求。网关控制器是整个通信传输模块的核心，网关控制器的作用是实现无线通信终端节点的组网，并对整个系统的终端节点进行调节，网关控制器如图3所示。

图3 网关控制器

(3）网络服务器

网络服务器的主要作用是回应网络中所有的请求指令，并将回应结果传送到控制器中。网络服务器如图4所示。

图4 网络服务器

电力数据通信传输单元的整体框架图，如图5所示。

图5 数据通信传输模块的整体框架图

1.2 数据采集单元

图6 数据采集器逻辑图

本文设计的数据采集模块采用了TI公司所设计的CC2530芯片。其芯片主频为2.4 GHz。最小系统中包含有数据收发器、增强型8051微处理器、用于系统动态调用的8 k B的SRAM以及用于堆栈数据存储的32 kB-256 kB可选的FLASH存储器。数据采集模块主要利用微控制器对大规模用电的电流、电压等用电信息进行采集，用电信息经过采集器传送到集中器，当用户为专变用户，数据经过采集器后直接传送到专变集中器中，最终数据利用LoRa通信传输给用户。数据采集器电路如图6所示。

1.3 电源电路

大规模用电信息采集接口的工作频率较快，且对采样精度有着较高的要求，因此对电源的波纹、噪声等更加敏感。由于数字电路的功耗存在一定的不稳定性，难以满足大规模用电信息采集模块的用电要求，因此设计单独的电源模块。电源芯片采用TI公司研发的LP3878可调稳压器，其具备的10 uF旁路电容，可以将输出噪声降为18 uV。电源电路如图7所示。

图7 电源电路

2、软件设计

仅设计出固定的单元模块不足以实现数据的采集和传输，需要在此基础上搭配软件进行数据的采集和传输。

在设计整个系统软件中始终秉持着模块化的设计理念，为方便电力数据传输，在软件程序中可采用调用的方法得出电力传输软件程序，进而得出电力数据传输程序流程图，如图8所示。

图8 大规模用电信息采集和传输软件流程图

2.1 数据传输程序

LoRa无线通信技术是高度集成模式的传输技术[7]，可确保不同模式的数据能够相互转换，进而保证各个端口之间的数据通信传输没有阻碍，当数据发送端口发现有数据需要传输，即可将传输形式转换成无线模式，将数据进行编码处理，最后经过空中通道完成数据传输，其工作流程如图9所示。

图9 LoRa传输数据工作流程

LoRa通信可以完成数据的传输也可以对数据进行接收，根据LoRa通信的数据接收方式可知，在接收数据过程中调节器会不间断地对信道中的数据进行扫描，以此获取最完整的数据包，最后将其保存。

2.2 数据采集软件程序

数据采集程序主要是通过控制信号实现数据采样率的调整和启停控制。

在数据采集程序中添加示意图等元素，保证程序能够获得十分清楚的输出结果，保证界面具有交互性。同时在数据采集软件程序中可将前面板窗口直接转换成程序框图窗口，得到图形化的程序，降低数据端口连接难度。

每经过一次数据采集[8]，这个系统会生成大量的未处理数据，这些数据会由于与处理器不兼容而导致不能传输。为保证数据的完整性，将这些数据通过乒乓结构进行缓存，数据缓存框架图如图10所示。

图1 0 数据缓存框架图

最后利用数据缓存中的外部处理器设置输出阈值，将缓存的数据与阈值进行对比，当数据大于阈值，则说明目前采集到的电压等电力相关数据无效，需要重新采集，否则对数据进行保留处理，在数据保存模块中主要利用摩尔状态机将数据中嘈杂部分消除，仅仅保留有用数据，确保了数据存储和读取的质量。

最后将软件添加到硬件中，即可完成大规模用电信息采集和传输系统的设计。

3、实验结果与分析

为了验证基于LoRa通信的大规模用电信息采集与传输系统的整体有效性，系统性能测试实验参数如表1所示。

表1 系统实验参数

实验平台如图11所示。

对所设计系统、文献[3]系统和文献[4]系统进行通信距离、数据包传输间隔、数据丢包率和系统的可靠性的测试，测试结果如下所示。

3.1 通信距离

随着国家不断的建设，大量地域被开发，很多偏远地区的用电量也急剧升高，在这种情况下，利用常规的电力数据采集系统不仅会浪费大量的人力和财力，也会出现数据采集误差大或数据传输拥堵以及不完整的现象，导致不能迅速获取用电数据的问题，甚至可能由于数据的不完整和传输效率过慢等原因出现电力断连的情况，因此电力信息在传输过程中必须确保电力信息通信距离足够远，为此可将电力数据通信距离长度视为判断系统优劣的指标。

图1 1 实验平台

现在同一环境下利用三种系统对电力信息进行传输，分别比较出15组实验中传输距离最长的系统，实验结果如表2所示。

表2 电力传输通信距离/km

将15组实验结果进行对比后发现，通信距离最长的均是所设计系统，文献[3]系统和文献[4]系统的传输距离均不同程度地低于所设计系统。

所设计系统的传输距离长是因为采用LoRa无线通信技术，进而确保所有模式的数据可相互转换，最大程度降低传输途中出现传输阻碍的情况，从而加长传输距离，保证采集和传输系统的性能。

3.2 数据包传输间隔

数据包之间均存在传输间隔，这种间隔是无法消除的，只能尽可能地降低数据包之间的间隔长短，因此数据包之间间隔的长短极大地影响传输的效率，为进一步验证所设计系统的采集与传输性能，随机选取若干组数据包进行传输，实验结果如图12所示。

图1 2 三种系统的数据包间隔时间

根据实验结果可知，每组实验中数据包之间的传输间隔时间最短的是所设计系统，每组实验下所设计系统的数据包传输间隔时间均不超过150 ms，所设计系统的间隔时间远远低于其余两种系统，因此证明所设计系统的传输性能较强。

3.3 数据丢包率

数据在传输过程中最担心的就是出现数据包丢失的情况，一旦出现这种情况会导致最终的电力数据不完整，无法进行后续工作，因此数据丢包率是一种判断数据传输性能的优秀指标。

为进一步验证所设计系统的有效性，随机选取5组带有不同数量的数据包，采用三种系统对其进行传输，三种系统的丢包率实验结果如图13所示。