基于泛在电力物联网LoRa通信技术的研究
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摘 要：文中研究分析了泛在电力物联网的感知层、网络层、平台层和应用层4层架构。通过无线LoRa调制技术基于泛在电力物联网的网络层实现感知层的要求，将数据接入网络层后上传到平台层。研究开发了一组基于泛在电力物联网要求的LoRa采集器和LoRa网关。最后通过组网通信测试验证了LoRa采集器和LoRa网关在泛在电力物联网系统中应用的可行性。
关键词：泛在电力物联网;LoRa采集器;LoRa网关器;星型网络;通信;调制
中图分类号：TP393;TN919.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）06-00-03
0 引 言
泛在电力物联网建设大纲对于电力物联网的建设和发展进行了工作部署，指出泛在电力物联网的架构由感知层、网络层、平台层和应用层构成，其中感知层是物联网系统的最底层，其主要功能在于负责信息采集和信号处理。通过感知识别技术使得物与物通过网络连接。而网络层通过现有基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。构建泛在电力物联网系统，网络层接驳感知层和平台层，具有强大的纽带作用[1-2]。
LoRa通信通过无线LoRa调制技术基于泛在电力物联网的网络层，实现感知层的要求，将数据接入网络层，并将数据上传到平台层。本文将基于泛在电力物联网的体系架构和关键技术要求进行LoRa通信技术的研究。
1 泛在电力物联网的概念及系统架构
1.1 泛在电力物联网基本概念
“泛在”即为“广泛的存在”，是对传统电力物联网概念的拓展，应用“大数据云智能”等现代信息通信技术（ICT）与便捷、灵活的新一代信息通信系统在线连接能源电力生产与消费各环节的人、机、物，承载贯通电网生产运行、企业经营管理和对外客户服务的数据流与业务流，实现电力系统状态全面感知、信息高效处理。泛在电力物联网其末端具有数以万计的信息感知节点，将电力系统的电网侧、发电侧、用电侧数据，与温度、湿度等环境数据，以及与用电终端有关的市场报价、结算价格等交易数据纳入所采集的数据类型中。泛在电力物联网能够通过获取或共享电力生产、传输与利用全环节、多类型数据，实现对智慧电力生态圈的全面
感知[3-4]。
1.2 泛在电力物联网系统架构
泛在电力物联网作为应用于电网的工业级物联网，其体系结构在沿袭物联网感知延伸层、网络传输层和平台应用层3层架构的基础上，增加了边缘计算层，其结构如图1所示。
本文将基于泛在电力物联网基本架构中边缘层通信网关的技术要求，将采用LoRa通信网关实现对设备感知层信息的采集，同时能够将设备感知层信息传送到云平台层。
2 LoRa通信设备硬件设计
2.1 通信模组硬件配置
LoRa组网一般采用星型网络组网方式，以网关为中心，外部连接多个数据采集模块，由于在现场可能有多个网关，分布多个LoRa网络，根据图2对组网方式进行说明。图2假设配电房中分布有2个配电箱，每个配电箱中的设备由相互独立的LoRa网络组成，配电箱1的网络1由网关A和采集模块A1～AN组成，配电箱2的网络2由网关B和采集模块B1～BN组成，即不同的LoRa网络工作在不同的信道，避免相互干扰。
图2配电箱网络中，LoRa 网关有2个模块，分别为模块A和模块B，其中模块A用于与LoRa采集模块进行电力参数采集通信，模块B用于组网和接收采集模块上传的告警信息。现场网关的LoRa模块A均工作在不同的信道，而现场所有网关的LoRa模块B均工作在相同的信道。LoRa网关具备“组网按钮”，即按钮按下时模块B开启组网模式;采集模塊出厂时默认为组网模式，且出厂工作信道与网关的模块B相同，并具备“复位按钮”，即按钮按下时采集模块恢复到组网模式。
2.2 采集器硬件设计
LoRa采集模块主要实现电力参数的采集与数据上传，具体包含电源模块，2路RS 485串口，2路数据DI，STM32F103单片机[5]。采集器硬件设计如图3所示。
2.3 LoRa网关硬件设计
LoRa网关采用高性能ARM处理器及Linux操作系统，主要功能为LoRa网络组建、LoRa网络管理、数据传输及协议转换、数据存储等。在智能配电系统中，集中器是智能元件与服务器的桥梁：一是实现与智能元件的数据交换，根据服务器下发的指令接收智能元件的运行电气数据，远程实现智能配电要求的“四遥”;二是根据智能配电系统设计要求，向上与服务器通信，将数据和事件传送给服务器。
LoRa技术智能配电系统的集中器设备硬件电路功能模块包括如下7个部分：
（1）输入供电电源/复位监控电路可为系统提供长时间工作的电源和复位监控功能;
（2）系统状态指示电路通过LED直观显示系统的运行状态;
（3）中央处理单元为系统的数据处理中心;
（4）PC机实现调试配置的USB/RS 232通信电路;
（5）将集中器的数据进行远程传输的硬件电路部分包括WiFi硬件电路、以太网硬件电路、3G/4G通信模块电路;
（6）LoRa通信技术模块电路;
（7）存储器电路存储系统参数，具有远程升级功能，可以远程查询和定时上报。
具体的LoRa网关硬件设计功能如图4所示。
LoRa网关在系统中承担的任务较多，中央处理器芯片的选择基于端口资源和运算能力两方面。LoRa网关中央处理器主控芯片选用基于ARM公司生产的32位ARM9平台[6]，具体的硬件结构如图5所示。
3 LoRa通信设备软件设计
3.1 LoRa采集器软件设计
LoRa采集器作为从机设备与LoRa网关组网，LoRa采集器对处于接收网关的查询报文进行回复。LoRa采集器不仅需满足MODBUS-RTU通信协议，还需要满足DLT/645电力通信协议。LoRa采集器软件功能流程如图6所示。 3.2 LoRa网关软件及组网软件设计
LoRa网关和LoRa采集器组网时需由LoRa网关发起组网请求，另外LoRa网关作为组网系统的主机，不仅可向下查询采集器的信息，还可以向上通过以太网通信方式将信息传送到DTU，从而将信息传送到云端。LoRa网关软件及组网软件设计流程如图7所示。
4 测试分析
网关与2个采集模块组网，每个采集模块下挂10只多功能电表，如图8所示。
DTU后台配置软件数据监视点表界面如图9所示。
5 结 语
本文研究分析了泛在电力物联网的感知层、网络层、平台层和应用层。LoRa通信通过无线LoRa调制技术基于泛在电力物联网的网络层，实现感知层的要求将数据接入网络层，之后上传到平台层。研究开发了一组基于泛在电力物联网要求的LoRa采集器和LoRa网关，并通过组网通信测试证实了LoRa采集器和LoRa网关在泛在电力物联网系统应用中的稳定性能。
参考文献
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