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能源计量领域的黑科技——LoRa

电能表在世界上的出现和发展已有一百多年的历史,最早的电能表是1881年根据电解原理制成的,尽管这种电能表每只重达几十公斤,十分笨重,又无精度的保证,但是,当时仍然被作为科技界的一项重大发明受到人们的重视和赞扬。

 

 

以往抄表是由抄表员逐一上门读取用户当前水表、气表、电表的显示数,记录在抄表簿上,带回数据中心进行统计、汇总、计费等处理,效率很低,容易出错,传统抄表收费模式的弊端逐渐成为能源计量公司提高管理水平的障碍。

 

 

2000年开始,我国开始大力发展智能电能表,现在的电表都是手持式抄表机,具有较强的运算和储存能力。抄表员抄表后,抄表机直接将数据上传到服务中心上,服务器复核数据后,由抄表机直接开账、打印账单或各类工作单,工作效率大大提高。

 

 

但是这样也需要人工现场读表,打印费用单,对人工成本要求并未降低。但近几年来,物联网发展迅速,物联网应用中的无线技术有多种,可组成局域网或广域网。低功耗广域网技术发展如火如荼,其中LoRa技术在其中占据了重要的地位,LoRa最大的优势就是低功耗,易组网,成本低,传输距离远等等。而且LoRa非常适合大规模部署,比如在智慧城市中的市政设施检测或者无线抄表等应用领域,可大大减少人工作业和施工布线成本。LoRa无疑是智慧计量领域的一匹黑马,下面就让我们来了解下LoRa技术能给能源计量领域带来啥?

LoRa:接收灵敏度秒杀业界芯片

2013年8月,Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(Long Range,简称LoRa)的芯片。它的接收灵敏度竟然达到了—148dbm,瞬间秒杀业界其他先进水平的sub-GHz芯片,改善了20db以上的接收灵敏度,大大确保了网络连接可靠性。

 

 

LoRa技术特点

它使用线性调频扩频调制技术,既保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰,即使不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰,并且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。

因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性,线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年,随着LoRa的引入,使得嵌入式无线通信领域的局面发生了翻天覆地的变化,打破了远距离和低功耗两者之间“鱼与熊掌不可兼得”的境地。当采用LPWAN技术之后,设计人员可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离通信与更低功耗,同时还可节省额外的中继器成本。

LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成,基站和终端之间采用星型网络拓扑,由于LoRa的长距离特性,它们之间得以使用单跳传输。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理,将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上,应用数据可双向传输。如图所示:

 

 

LoRa网络架构

据官方声明,2017年LoRaWAN的网络部署情况:34个公开声明部署的网络,至少150个在进行的城市试点部署。如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家,荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。鸡脖子那边有一点白,可能是主体主义思想的光辉太耀眼了。

 

 

LoRa多重优势便于应用智慧家居

LoRa的优势主要体现在以下几个方面:

1) 大大的改善了接收的灵敏度,降低了功耗

高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,这大大延迟了电池的使用寿命。

2) 基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大。

如图2所示,网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。

3) 基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。

LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。

 

 

LoRa关键特性和优势

这些关键特征使得 LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。

 

 

LoRa:应用于无线抄表

对于NB-IoT,LoRa是当前最成熟、稳定的窄带物联网通讯技术,其自由组网的私有网络远优于运营商持续不断收费的NB网络,且LoRa一次组网终身不需缴费。但是应用LoRa进行物联网通讯开发难度大、周期长、进入门槛高。

以水表无线抄表来说,无线抄表的核心需求:

1.可抄到。LoRa比传统的FSK、GFSK传输距离更远,安装在水表中的确距离和穿透力有了提升,但依然和实际需求有差距,特别是小区环境,所有水表到集中器肯定无法都进行直接传输,完全做不到一级就到,1个集中器肯定无法覆盖所有的水表,多数希望做无线水表的厂家还是表本位的思路(其它产品亦适用),认为LoRa或者无线只是无线水表的简单附属品,很多厂家将实现远距离通信的效果完全寄托于LoRa,其实不然,水表与LoRa或者说水表与无线的组合应该是相辅相成,不应该孤立的看成是两种组件简单的组装。

如下两图,两种常见的水表改造为LoRa远传无线表,如果天线设计和匹配良好,两种效果不会相差太大。

 

 

 

 

2.使电池长时间待机。在发射功率50mW情况下,LoRa在各个状态的功耗可由电流得出: 发射85mA,接收10mA,休眠4uA,发射、接收和休眠功耗都是LoRa模块硬性的功耗支出,这些都是固定的。电池容量一定的情况下,要想省电做到常年运行,就需要降低LoRa的功耗。可见模块消耗的功耗主要是发射和接收状态。而厂商的解决方法就是:LoRa模块在非抄表状态下进行呼吸工作方式,或称之为心跳方式,非抄表状态省电运行,而抄表时能即时响应,以此达到省电的目的。

LoRa呼吸/心跳工作方式:

休眠一段时间-------接收打开搜索唤醒信号--------如有唤醒信号则正常收发进行抄表或发现无唤醒信号则进入休眠

抄表状态下的功耗无法节省,真正能控制省电的部分就只能是呼吸状态下的电流消耗,呼吸状态只产生休眠和接收功耗,显而易见,控制接收功耗就是关键,要做到模块省电最好的办法就是尽量缩短接收时间。

3.双向交互。前面说到了距离和功耗的双重限制,这时候我们可以在水表和集中器直接加中继进行接续传输,而且需要至少满足3点:

① 支持多级中继,水表数据能通过多级跳方式传回集中器;

② 中继器的成本还要远低于集中器。

③ 中继器也是电池供电,不然无线抄表就失去了意义。

 

 

理想状态下,每个水表既做表又做中继是最佳方案,那么整个方案就无需额外增加中继器。

小结:

最理想状态当然是:水表全覆盖,路径自动选,成本绝对低,后期免维护;说到这大家应该都明白了,各家做LoRa的实力对比就在此,LoRa大家都能用,真正拼的恰恰是LoRa以外的东西。

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