CN111372215A - 一种基于lora的单通道同步信息采集系统及方法 - Google Patents

一种基于lora的单通道同步信息采集系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LORA的单通道同步信息采集系统及方法，该系统用于同步采集电力系统内各传感器数据，包括1个LORA网关和至少1个LORA传感器，所述LORA网关及LORA传感器均采用单通道节点型LORA芯片，LORA网关用于触发LORA传感器的同步采集，并接收各传感器上传的采样数据；所述LORA传感器用于接收LORA网关同步采集指令并进行数据采集，并向网关发送采样数据；所述同步采集方法包括：利用LORA提供的前导唤醒机制，触发各LORA传感器同步采样，由各传感器依照既定规则依次上传数据。本发明解决了传统的基于LORA技术的轮询式无线采集方案无法实现传感器同步采集及轮询周期长的问题，同时避免了多通道网关型节点LORA芯片的成本高和功耗大的问题。

Description

一种基于LORA的单通道同步信息采集系统及方法
技术领域
本发明属于电力系统泛在物联技术领域，涉及一种基于LORA的单通道同步信息采集系统及方法。
背景技术
随着物联网技术在我国的蓬勃发展，国家电网公司提出了建设“泛在电力物联网”的发展目标，南方电网公司也提出了建设“透明电网”的发展目标，两者都以物联网技术为依托和重要的技术发展路线。自2019年起，电力泛在物联技术在全国电力企业及相关研究机构中如火如荼地开展起来。
物联网技术以传感器技术、通信技术、嵌入式技术为核心技术，其中通信技术又是实现“物联”的关键技术。LORA技术作为低功耗、长传输距离的无线技术，对实现万物物联的“最后一公里”具有重要意义，近年来也得到了广泛应用，尤其在低功耗物联网技术和产业领域。
LORA技术发射功耗一般在150mA以下，静态功耗一般小于2uA，扩频因子为12的情况下，空旷条件下，最远传输距离可以达到10km以上，非常适合用于电池供电、传输距离较长、传输频率较低、传输报文较短的物联网场合。
目前LORA芯片主要有两种：SX12XX系列的单通道节点型芯片：SX13XX系列的多通道网关型芯片。因此，基于LORA的传感器采集系统，一般也有以下两种实现方式：
方式一：网关、传感器节点均采用SX12XX系列芯片。获取采样数据时，由网关节点按照传感器节点地址顺序，一问一答，依次轮询获取。这种实现方式获取的采样数据，每个传感器的数据时标都不同，无法获得同一时间断面下的采样数据，即无法实现同步采集，且为了避免信道冲突，轮询每个节点间隔时间都需要有效控制，导致总体轮询周期缓慢。用户对历史数据进行比对分析时，也会因各采样点的时标不统一，对分析结果的科学性和有效性产生影响。
方式二：网关采用SX13XX系列多通道网关型芯片，传感器采用SX12XX系列芯片。SX13XX系列目前最大支持8路通道同时传输数据，因此，在传感器节点数量不多的情况下，可以实现同步采样。一旦超过8路，就需要网关做相关的冲突解决策略和同步策略，研发成本会随之上升。同时SX13XX系列芯片的价格较SX12XX系列芯片的价格差距极大，一般采购渠道的差价都要超过10倍，因此，这种实现方式的系统总体成本较高，不利于产品和技术的推广。
发明内容
发明目的：为了克服传统的基于LORA技术的轮询式无线采集方案无法实现传感器同步采集及轮询周期长的问题，同时避免了多通道网关型节点LORA芯片的成本高和功耗大的问题，提供了一种基于LORA的单通道同步信息采集系统及方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于LORA的单通道同步信息采集系统，该系统包括单通道节点型LORA芯片构成的1个LORA网关和至少1个LORA传感器，所述LORA网关与所述LORA传感器无线连接。
进一步地，所述LORA网关包括第一数据处理单元和第一LORA通信单元，两个单元之间数据交互，所述第一数据处理单元用于执行LORA协议；所述LORA传感器包括传感单元、第二数据采集单元和第二LORA通信单元；所述第二数据处理单元分别与第二LORA通信单元、传感单元连接，用于获取传感单元采集的传感数据，执行LORA协议；其中，第一LORA通信单元和第二LORA通信单元数据交互。
进一步地，所述LORA传感器具有2个字节的通信地址参数Addr，参数可以修改；同一个同步采集系统内，LORA传感器的地址从1开始，以1为步长，递增设置。
进一步地，所述LORA传感器具有1个采样等待时间参数T_set，参数可以修改；同一个同步采集系统内，LORA传感器的采样等待时间设置为同一值，以保证采样时刻同步。
本发明所述的基于LORA的单通道同步信息采集系统的同步信息采集方法，该方法采用LORA前导码唤醒机制。
进一步地，该方法包括以下步骤：
(1)LORA网关广播同步采集指令SYNC；
(2)LORA传感器由同步采集指令SYNC的前导码唤醒，解析采集指令报文，启动传感单元；
(3)LORA传感器等待其传感单元数据稳定，当等待时间T_wait达到其参数“采样等待时间”T_set，立即开始采样，完成采样后立即休眠；
(4)根据通信地址参数Addr计算LORA传感器休眠时间长度T_sleep：
T_sleep＝Addr*K
其中，K为步长系数，由当前LORA通信系统的扩频因子SF及LORA传感器上传的采样报文长度LEN决定；
(5)LORA传感器休眠T_sleep时间长度后，唤醒并上传采样报文SAMP；
(6)LORA网关收到所有LORA传感器上传的本次采样数据后，根据同步采集指令发送时刻T_sync与LORA传感器等待采样时间参数T_set，生成同步采样数据的时标T_stamp＝T_sync+T_set，保存本次采样数据。
进一步地，步长系数K是在当前扩频因子SF下连续传送LEN字节长度报文而不发生信道冲突所需要的最长发送间隔时间，通过LORA芯片参数并结合实际测试结果获得。
有益效果：一种基于LORA的单通道同步信息采集系统及方法，采用低成本单通道的LORA无线方案，通过唤醒、采集及数据上传巧妙的时序控制和设置，实现了多个无线传感器在同一时间断面下的数据采集，并有效防止数据上传时的信道冲突问题。本发明有效降低了系统架构的成本和实现难度；并且功耗比多通道的LORA无线方案低，提高了实用性。
附图说明
图1是本发明的前导码唤醒机制示意图；
图2是本发明的基于LORA的同步无线采集系统示意图；
图3是本发明的LORA网关及LORA传感器示意图；
图4是本发明实施例的变电站无线温度监测系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。
一种基于LORA的单通道同步信息采集系统，逻辑拓扑如图2所示，该系统包括1个LORA网关和多个LORA传感器。
LORA网关设备构成如图3所示，包括第一数据处理单元和第一LORA通信单元。第一数据处理单元负责对收到的传感器数据进行处理、存储；第一LORA通信单元采用SX1278单通道节点型LORA芯片，除了负责LORA物理层相关收发处理，还对LORA通信链路过程进行控制，周期地向LORA传感器发送同步采集命令，并接收传感器上传的数据。
LORA传感器设备构成如图3所示，由传感单元、第二数据采集单元和第二LORA通信单元组成。传感单元包含检测器部分及相关驱动控制，负责采样和模数转换(AD过程)；第二数据处理单元负责对数据进行滤波、品质判断等处理；第二LORA通信单元采用SX1278单通道节点型LORA芯片，接收LORA网关发来的同步采集命令，并将采样数据打包上传至LORA网关。
LORA传感器至少包含以下两个参数：
(1)通信地址Addr。采用16位地址(2个字节)，最大值65535，而LORA无线采集系统一般节点数量不会超过1000个，因此，地址长度满足LORA无线采集系统对节点数量的需求。每个LORA传感器的通信地址均不相同，可以人工设置；同一个同步采集系统内，多个LORA传感器的地址从1开始，以1为步长，递增设置。该参数影响LORA传感器异步上传的先后顺序，是避免LORA信道冲突的重要参数。
(2)采样等待时间T_set。用于传感单元启动后，等待传感器数据稳定再进行采样。同一个同步采集系统内，多个LORA传感器的采样等待时间设置应为同一个，以保证采样时刻同步。
一种基于上述系统的同步信息采集方法，基于LORA前导码唤醒机制实现。
如图1所示的LORA前导码唤醒机制，是一种保证多个异步休眠节点能够同步醒来的机制。其工作机制如下：
(1)假设系统中有1个不休眠的节点和3个休眠节点；
(2)3个休眠节点进入休眠的时刻不同(假设分别为1s，2s，4s)；
(3)不休眠节点每60s发送一次广播报文，报文前导码长度换算成时间为5s，即前导码长度按照当前波特率连续发送，需要5s才能发送完毕，发送前导码结束再接着发送有效广播报文；
(4)休眠节点每隔5s，其通信单元侦听一次是否有前导码发来；如果没有侦听到前导码，则进入下一个5s的休眠过程；如果侦听到前导码，则持续侦听一直到前导码结束，然后向cpu发出唤醒信号。
(5)假设不休眠节点是在时刻0s开始发送前导码，持续5s，那么3个休眠节点将分别在1s、2s、4s时刻侦听到前导码，并持续侦听到时刻5s时，不休眠节点发送的前导码结束，再向各自cpu发送唤醒信号，并开始接受有效广播报文。从而保证3个异步休眠节点的唤醒时刻相同，都在时刻5s。
一种基于LORA的单通道同步信息采集方法，一次同步采集的实现步骤如下：
(1)LORA网关广播同步采集指令SYNC；
(2)LORA传感器由同步采集指令SYNC的前导码唤醒，解析采集指令报文，启动传感单元；
(3)LORA传感器等待其传感单元数据稳定(等待时间T_wait达到其参数“采样等待时间”T_set)后，立即开始采样，完成采样后立即休眠；
(4)LORA传感器休眠时间长度T_sleep由其参数“通信地址”Addr决定，T_sleep＝Addr*K，K为步长系数，由当前LORA通信系统的扩频因子SF及LORA传感器上传的采样报文长度LEN决定；
(5)LORA传感器休眠T_sleep时间长度后，唤醒并上传采样报文SAMP。
(6)LORA网关收到所有LORA传感器上传的本次采样数据后，根据同步采集指令发送时刻T_sync与LORA传感器等待采样时间参数T_set，生成同步采样数据的时标T_stamp＝T_sync+T_set，保存本次采样数据，完成一次同步采集。
步长系数K物理意义是在当前扩频因子SF下连续传送LEN字节长度报文而不发生信道冲突所需要的最长发送间隔时间，通过LORA芯片手册并结合实际测试结果获得。
在一个实施例中，如图4所示是某35kV变电站无线温度监测系统，该变电站有2条进线，2台主变，8条出线，变电站自动化设备安装在站内监控室内。一种基于LORA的单通道同步采集系统按如下方式布置：
(1)1台LORA网关安装在变电站监控室内，采用壁挂或组屏方式安装，LORA天线引出监控室；
(2)2条进线、8条出线断路器上以绑带形式固定安装10台LORA传感器；
(3)2台主变外壁以螺丝孔固定2台LORA传感器；
(4)所有LORA传感器地址，如图4所示，按其编号顺序N1、N2…N12，分别设置为1、2…12；
(5)所有LORA传感器采样等待时间设置为1s；
(6)LORA网关发送频率设置为483MHz，接收频率设置为484MHz；LORA传感器发送频率设置为484MHz，接收频率设置为483MHz。
(7)LORA网关及所有LORA传感器扩频因子SF设置为12，而应用数据包长度LEN最大8字节，经测定，步长系数K设置为2s；
(8)所有LORA传感器侦听前导码周期设置为5s，LORA网关前导码长度按当前扩频因子下5s时长换算后进行设置；
(9)计算从本次同步采集命令SYNC发出开始，至最后一个传感器上传采样数据接收到的时间为：5+1+12*2＝30秒，同步采样周期不能低于30秒。考虑低功耗需求及用户对无线温度数据实时性要求，设置同步采样周期为900s。
按上述方式完成同步采集系统后，同步采集系统按如下步骤工作(以LORA网关G和LORA传感器N8为例)：
(1)G广播同步采集指令SYNC，记录时刻为T_sync；
(2)N8由同步采集指令SYNC的前导码唤醒，解析采集指令报文，启动传感单元，CPU立即休眠1s；
(3)N8在休眠1s后醒来，记录当前时刻为T1，立即开始采样；
(4)N8采样结束，记录当前时刻为T2，立即休眠T3秒。T3＝8*3–(T2–T1)。
(5)N8在休眠T3秒后醒来，立即上传本次采样数据。
(6)G收到N12发送的采样报文后，认为本次12个传感器均上传数据完毕，计算采样时标T_stamp＝T_sync+1。并将所有采样数据打上时标后保存。本次采样结束。
本发明优势在于，采用低成本的LORA无线方案实现了多个无线传感器在同一时间断面下的数据采集，并有效防止数据上传时的信道冲突问题。

Claims (7)

1.一种基于LORA的单通道同步信息采集系统，其特征在于：该系统包括单通道节点型LORA芯片构成的1个LORA网关和至少1个LORA传感器，所述LORA网关与所述LORA传感器无线连接。
2.根据权利要求1所述的基于LORA的单通道同步信息采集系统，其特征在于，所述LORA网关包括第一数据处理单元和第一LORA通信单元，两个单元之间数据交互，所述第一数据处理单元用于执行LORA协议；所述LORA传感器包括传感单元、第二数据采集单元和第二LORA通信单元；所述第二数据处理单元分别与第二LORA通信单元、传感单元连接，用于获取传感单元采集的传感数据，执行LORA协议；其中，第一LORA通信单元和第二LORA通信单元数据交互。
3.根据权利要求1所述的基于LORA的单通道同步信息采集系统，其特征在于，所述LORA传感器具有2个字节的通信地址参数Addr；同一个同步采集系统内，LORA传感器的地址从1开始，以1为步长，递增设置。
4.根据权利要求1所述的基于LORA的单通道同步信息采集系统，其特征在于，所述LORA传感器具有1个采样等待时间参数T_set；同一个同步采集系统内，LORA传感器的采样等待时间设置为同一值。
5.一种基于权利要求1所述系统的同步信息采集方法，其特征在于：该方法采用LORA前导码唤醒机制。
6.根据权利要求5所述的同步信息采集方法，其特征在于，包括步骤：
(1)LORA网关广播同步采集指令SYNC；
(2)LORA传感器由同步采集指令SYNC的前导码唤醒，解析采集指令报文，启动传感单元；
(3)LORA传感器等待其传感单元数据稳定，当等待时间T_wait达到等待采样时间参数T_set时，立即开始采样，完成采样后立即休眠；
(4)根据通信地址参数Addr计算LORA传感器休眠时间长度T_sleep：
T_sleep＝Addr*K
其中，K为步长系数，由当前LORA通信系统的扩频因子SF及LORA传感器上传的采样报文长度LEN决定；
(5)LORA传感器休眠T_sleep时间长度后，唤醒并上传采样报文SAMP；
(6)LORA网关收到所有LORA传感器上传的本次采样数据后，根据同步采集指令发送时刻T_sync与LORA传感器的等待采样时间参数T_set，生成同步采样数据的时标T_stamp＝T_sync+T_set，保存本次采样数据。
7.根据权利要求6所述的同步信息采集方法，其特征在于：所述步长系数K是在当前扩频因子SF下连续传送LEN字节长度报文而不发生信道冲突所需要的最长发送间隔时间，通过LORA芯片参数并结合实际测试结果获得。
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