一种多表集抄通信接口转换器的LoRa无线抄表方法 |
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| 申请号 | CN201710001362.6 | 申请日 | 2017-01-03 | 公开(公告)号 | CN106781398A | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 国网江苏省电力公司电力科学研究院; 国家电网公司; 江苏林洋能源股份有限公司; | 发明人 | 刘建; 徐晴; 欧阳曾恺; 田正其; 黄奇峰; 周超; 祝宇楠; 薛军; 殷俊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种多表集抄通信 接口 转换器的LoRa无线抄表方法，通过LoRa模 块 对LoRa无线通讯方式的 水 表、燃气表和热量表进行数据抄读；LoRa模块以多表集抄 通信接口 转换器为核心自动无线组网；在组网完成后，多表集抄通信接口转换器直接发送报文对无线网络内各表计进行数据抄读，表计返回的应答报文通过LoRa模块上传至多表集抄通信接口转换器，再由多表集抄通信接口转换器将应答报文封装后上传集中器。本发明提升了多表集抄系统对LoRa无线通讯方式的水表、燃气表、热量表数据抄读成功率及效率，减少了无线抄表对表计 电池 的损耗，有助于 水电 气热多表集抄系统的建设推广。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多表集抄通信接口转换器的LoRa无线抄表方法，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种多表集抄通信接口转换器的LoRa无线抄表方法技术领域背景技术[0002] 多表集抄通信接口转换器是指采集水表、智能电能表、燃气表、热量表数据，并对水、热、气表数据处理存储，同时可以和集中器或手持设备进行数据交换的设备。采用多表集抄通信接口转换器配合集中器抄表是建立“水电气热”多表集抄系统的一种快速有效途径，有助于打破当前四表间“语言不通，各自处理”的壁垒，减少公共事业基础设施重复投资，降低公共事业单位的综合运营成本。 [0003] LoRa是一种线性调频扩频通信技术，具有功耗低、通信距离远、抗干扰能力强等优点，是现场水、气、热表广泛采用的无线通讯方式。当前多表集抄通信接口转换器的上行通信超时时间短，因LoRa节点通讯存在低功耗唤醒机制，在完成一次LoRa无线抄表后集中器往往无法从上行通道获取表计数据；同时LoRa无线通讯方式的表计采用电池供电，若频繁处理数据抄读指令将增加耗电量，减少电池使用寿命，增加现场表计的运维成本。以上两点造成当前多表集抄系统对LoRa无线通讯方式的表计数据抄读成功率低、电池损耗大，不利于多表集抄系统的建设推广。 发明内容[0004] 本发明所解决的技术问题是克服当前多表集抄通信接口转换器对LoRa无线通讯方式的水、气、热表计数据抄读成功率低、电池损耗大的不足。 [0005] 本发明的一种多表集抄通信接口转换器的LoRa无线抄表方法，其特征在于：通过内置于多表集抄通信接口转换器中的LoRa模块完成对LoRa无线通讯方式的水表、燃气表、热量表数据抄读； LoRa模块以多表集抄通信接口转换器为核心进行自动无线组网，每块LoRa无线通讯方式的表计都作为LoRa无线网络中的从节点。在组网完成后，多表集抄通信接口转换器通过LoRa模块实现对网络内各节点的操作及控制，可直接发送符合CJ/T 188-2004通信协议格式的报文对各LoRa无线通讯方式的表计进行数据抄读，表计返回的应答报文通过LoRa模块上传至多表集抄通信接口转换器，再由多表集抄通信接口转换器将应答报文封装后上传集中器。 [0006] LoRa模块的接口参数包括以下：void LoRa_Init(BYTE nPort)：LoRa模块初始化 BYTE LoRa_NodeAdd(BYTE *pAddr)：增加节点 BYTE LoRa_NodeTimeout(BYTE *pAddr)：LoRa无线抄表超时时间 BYTE LoRa_AddrSet(BYTE *Addr)：节点地址设置 BYTE LoRa_NodeClear(void)：删除节点 BYTE LoRa_NodeConfig(WORD Cmd ,BYTE *pBuff,BYTE Num)：节点配置BYTE LoRa_Meter_Read(BYTE *pAddr)：节点抄读。 [0007] LoRa无线抄表采用有地址模式抄读，流程包括以下步骤：步骤（1），LoRa模块无线组网完成后，当接收到对某块表计的数据抄读命令后，首先进行报文解析，识别表计地址（即节点档案）； 步骤（2），判断节点档案是否已经登记，若未登记，将该节点登记并自动加入LoRa无线网络重新组网，返回步骤（1）；若已登记，判断当前时间距上次抄读成功时间是否大于M小时（1≤M≤24），若大于，直接将数据抄读命令转发至该表计，反之则将缓存的上次抄读成功时的应答报文上传多表集抄通信接口转换器，结束本次抄表； 步骤（3），在超时时限内等待表计返回应答报文，若接收到应答报文，进入步骤（5）；若超出时限仍未接收到应答报文，抄读失败次数增加一次； 步骤（4），判断当天对该表计的抄读失败次数是否大于N次（2≤N≤5），若小于，重新转发数据抄读命令，返回步骤（3）；若大于，当天内将不再响应对该表计的数据抄读命令； 步骤（5），若接收到应答报文，将其上传多表集抄通信接口转换器并缓存，同时记录本次抄读成功时间，结束本次抄表。 [0008] LoRa无线抄表的数据缓存机制如下：在对LoRa无线网络中单个节点数据抄读成功后，除将应答报文返回上行通道外，还自动缓存本次应答报文，若因LoRa无线抄表时间超过上行通信超时时限而导致数据未成功采集，在再次接收到来自上行通道的数据抄读命令后立即回复缓存的应答报文。 [0009] LoRa无线数据抄读保护方案如下：1）多表集抄通信接口转换器可设置为调试模式或保护模式，默认为保护模式； 2）在调试模式下，数据抄读命令将无条件转发，调试模式的维持时间可设置， 设置为 10分钟整数倍，最大支持2550分钟（调试模式每日凌晨2点自动关闭）； 3）在保护模式下，对于已经抄读成功的节点每M小时为转发周期，M小时内对该节点的数据抄读均回复上一次缓存的应答报文。M取值范围为1≤M≤24。M需要兼顾数据抄读周期与表计响应次数，由于水气热表计每天过零点时自动存储累计示数，即24小时存储一次数据，M最大显然为24，而M取值过小则表计当日响应数据抄读命令次数过多，起不到减少电池耗电量效果，从调试角度看，M最小取为1，即每小时最多响应一次数据抄读命令。考虑实际情况，推荐M取值为4； 4）在保护模式下，对抄读失败的表计的数据抄读命令在当天内最多转发N次，每日过零点该表计的抄读失败次数清零，次日重新计数。N取值范围为2≤N≤5。考虑到存在偶发性的抄读失败因素，N至少应为2，而N取值若过大，则仍然影响整体抄表效率，一般大于5次抄读失败则可以判断是由表计自身故障或人为的参数设置错误等因素导致，因此N最大可取为 5。考虑实际情况，推荐N取值为3。 [0010] LoRa无线抄表运行异常的处理措施如下：若LoRa无线网络中的所有节点的抄读失败次数累计达到K次则复位LoRa模块，K取值范围为64≤K≤160。整体性的数据抄读失败可能是由LoRa模块软件故障引起，由于一个多表集抄通信接口转换器至少应支持对32块LoRa无线通讯方式的水气热表计的数据抄读，由上述N的取值范围可知32×2=64≤K≤32×5=160。考虑实际情况推荐K取值为100。 [0011] 本发明的有益效果是：提高了多表集抄系统对LoRa无线通讯方式的水表、燃气表、热量表数据抄读成功率及效率，减少了无线抄表对表计电池的损耗，降低了现场表计运维成本，有助于“水电气热”多表集抄系统的建设推广。附图说明 [0012] 图1是多表集抄系统的LoRa无线网络结构图。 [0013] 图2是本发明的LoRa无线抄表流程图。 具体实施方式[0015] 本发明通过内置于多表集抄通信接口转换器中的LoRa模块完成对LoRa无线通讯方式的水表、燃气表、热量表数据抄读。 [0016] 如图1所示，LoRa模块以多表集抄通信接口转换器为核心进行自动无线组网，每块LoRa无线通讯方式的表计都作为LoRa无线网络中的从节点。LORA模块对各从节点既可以直接操作也可通过中继器（中继器是另外的安装LoRa模块的多表集抄通信接口转换器）进行操作；对低功耗设备操作时，可直接进行唤醒操作也可控制路由器和中继器执行唤醒操作。 [0017] LoRa模块组建的无线网络具有以下特点：1) 自动组建网络 LoRa无线网络是由LoRa模块以搜索的方式自动组网建立的。待组网的LoRa无线通讯方式的表计称为目标设备，LoRa模块支持搜索指定的目标设备和广播搜索所有目标设备，搜索成功后将为各目标设备分配点对点路径，并自动登记到路由表，从而完成对节点档案的登记。 [0018] 2) 多级中继转发LoRa无线网络具有较强的可拓展性，支持以多级转发的方式拓展网络的覆盖范围，支持5级中继转发，在特殊场合网络层数亦可适当放大； 3) 动态路径修复 LoRa无线网络是无线多跳组网网络，具有路径自动修复功能，传输可靠性高。用户可通过集中器直接操作网络内的任何从节点，网络会根据用户选择的节点序列号进行自动搜索，并建立到目标节点的最佳路径； 4) 数据透明传输 LoRa无线网络支持自主研发的网络通信协议，在此协议的基础上为用户提供数据的透明传输，支持每包最多传输120字节长度的用户数据。 [0019] 在组网完成后，多表集抄通信接口转换器通过LoRa模块实现对网络内各节点的操作及控制，可直接发送符合CJ/T 188-2004通信协议格式的报文对各LoRa无线通讯方式的表计进行数据抄读，表计返回的应答报文通过LoRa模块上传至多表集抄通信接口转换器，再由多表集抄通信接口转换器将应答报文封装后上传集中器。 [0020] LoRa模块的主要技术参数如下：工作频点范围：470 510MHz；发射状态功耗≤100mA，接收状态功耗≤20mA；工作电压：3~ 3.6V；发射功率<16dBm；串口格式：UART，波特率9600bps，8位数据，无奇偶校验，1位停止~ 位；无线通信速率：0.8kbps；可靠传输距离：＞2500m（空旷地带）；外形尺寸：40 mm× 27.5mm。 [0021] LoRa模块的接口参数包括以下：void LoRa_Init(BYTE nPort)：LoRa模块初始化 BYTE LoRa_NodeAdd(BYTE *pAddr)：增加节点 BYTE LoRa_NodeTimeout(BYTE *pAddr)：LoRa无线抄表超时时间 BYTE LoRa_AddrSet(BYTE *Addr)：节点地址设置 BYTE LoRa_NodeClear(void)：删除节点 BYTE LoRa_NodeConfig(WORD Cmd ,BYTE *pBuff,BYTE Num)：节点配置BYTE LoRa_Meter_Read(BYTE *pAddr)：节点抄读 如图2所示，LoRa无线抄表采用有地址模式抄读，流程包括以下步骤： 步骤（1），LoRa模块无线组网完成后，当接收到对某块表计的数据抄读命令后，首先进行报文解析，识别表计地址（即节点档案）； 步骤（2），判断节点档案是否已经登记，若未登记，将该节点登记并自动加入LoRa无线网络重新组网，返回步骤（1）；若已登记，判断当前时间距上次抄读成功时间是否大于M小时，若大于，直接将数据抄读命令转发至该表计，反之则将缓存的上次抄读成功时的应答报文上传多表集抄通信接口转换器，结束本次抄表； 步骤（3），在超时时限内等待表计返回应答报文，若接收到应答报文，进入步骤（5）；若超出时限仍未接收到应答报文，抄读失败次数增加一次； 步骤（4），判断当天对该表计的抄读失败次数是否大于N次，若小于，重新转发数据抄读命令，返回步骤（3）；若大于，当天内将不再响应对该表计的数据抄读命令； 步骤（5），若接收到应答报文，将其上传多表集抄通信接口转换器并缓存，同时记录本次抄读成功时间，结束本次抄表。 [0022] 由于LoRa无线网络中的节点通讯存在低功耗唤醒机制，因此对单一节点（即LoRa无线通讯方式的表计）的1次数据抄读时间约10s左右（若数据抄读命令通过中继器转发则抄读时间更长）。而目前多表集抄通信接口转换器上行通讯方式一般为电力线载波，上行通信的超时时间较短（一般小于6s），所以等无线抄表完成后，集中器因通信超时将无法从上行通道获取表计数据。 [0023] 针对这一问题，本发明在LoRa无线抄表流程中增加了数据缓存机制，即每成功抄读一块表计，多表集抄通信接口转换器接收到的应答报文除返回上行通道外，还将自动缓存，当再次接收到来自上行通道的数据抄读命令时立即回复上次缓存的应答报文，确保集中器从上行通道采集数据的成功率。 [0024] 另外，由于目前LoRa无线通讯方式的表计采用电池供电，若频繁处理数据抄读指令将增加耗电量，减少电池使用寿命，增加现场表计的运维成本。为延长表计电池使用寿命，本发明设计了LoRa无线数据抄读保护方案，用以“屏蔽”短时间内不必要的数据抄读指令。同时设置了每日抄读失败次数上限来应对多次抄表失败的情形，避免因表计自身故障、人为设置错误等因素导致的重复无效抄表对多表集抄通信接口转换器的损耗及整体抄表流程的阻塞，提升LoRa无线抄表的效率。LoRa无线数据抄读保护方案如下：1）多表集抄通信接口转换器可设置为调试模式或保护模式，默认为保护模式； 2）在调试模式下，数据抄读命令将无条件转发，调试模式的维持时间可设置， 设置为 10分钟整数倍，最大支持2550分钟（考虑到实际情况，调试模式每日凌晨2点自动关闭）； 3）在保护模式下，对于已经抄读成功的节点每M小时为转发周期，M小时内对该节点的抄读均回复缓存的应答报文。M需要兼顾数据抄读周期与表计响应次数，由于水气热表计每天过零点时自动存储累计示数，即24小时存储一次数据，M最大显然为24，而M取值过小则表计当日响应数据抄读命令次数过多，起不到减少电池耗电量效果，从调试角度看，M最小取为1，即每小时最多响应一次数据抄读命令。考虑实际情况，推荐本实施例中M取值为4； 4）在保护模式下，对抄读失败的表计的数据抄读命令在当天内最多转发N次，每日过零点该表计的抄读失败次数清零，次日重新计数。考虑到存在偶发性的抄读失败因素，N至少应为2，而N取值若过大，则仍然影响整体抄表效率，一般大于5次抄读失败则可以判断是由表计自身故障或人为的参数设置错误等因素导致，因此N最大可取为5。考虑实际情况，推荐本实施例中N取值为3。 为应对LoRa无线抄表运行异常的情况，当多表集抄通信接口转换器对LoRa无线网络内多个节点的多次数据抄读均失败时，可能是因LoRa模块软件故障、自身参数设置不当等而造成，此时有必要复位LoRa模块。因此若LoRa无线网络中的所有节点的抄读失败次数累计达到K次则复位LoRa模块。由于一个多表集抄通信接口转换器至少应支持对32块LoRa无线通讯方式的水气热表计的数据抄读，由上述N的取值范围可知32×2=64≤K≤32×5=160。考虑实际情况推荐本实施例中K取值为100。 [0025] 综上所述，本发明的一种多表集抄通信接口转换器的LoRa无线抄表方法，提升了多表集抄系统对LoRa无线通讯方式的水表、燃气表、热量表数据抄读成功率及效率，减少了无线抄表对表计电池的损耗，有助于“水电气热”多表集抄系统的建设推广。 [0026] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 |
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