CN113316033B - 一种基于lora层次拓扑网络的无线抄表方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法，设计了一种无线LORA抄表模块，具有与集中器和电能表的数据交互能力，依靠自身的射频芯片，可实现无线组网，其组网为层次拓扑结构，实现快速抄读、高效组网、可扩容的网络模式，多条抄表路径设计，提高了抄表成功率，随着智能电网升级改造，在实现无线抄表、减少布线施工、节约成本同时，实现快速组网、减少节点、提升抄读速度、提高无线抄表成功率对整个电力行业都具有重要的意义。

Description

一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法
技术领域
本发明涉及一种无线抄表方法。
背景技术
目前电力行业抄表，无需施工布线解决方案主要有电信运营、电力载波、无线模块等三大类。自带2g/4g/nb模块通讯不受距离限制，需要定期向电信运营商缴费，维护成本较高；低压电力线载波技术方式抄表载波信号传输距离比较短，从而导致中继节点多，抄表时间久；无线模块，例如zigbee、蓝牙等传输距离较短，不适合用于远距离抄表，而一般性的fsk调制技术无线抄表存在诸多问题，数据抄读成功率不高、组网效率低下、抄读效率低下，受外界坏境影响较大，节点和上级节点一旦断开，中心节点就无法和该节点通讯，从而导致抄读该表失败，节点断开，处于离线状态，组网效率低下，抄表路径节点之间存在冗余中继，抄读效率低下。
发明内容
为了克服现有技术中上述不足，本发明提供一种能远距离抄表、且中继个数少、抄读速率高的一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法，其特征在于：
集中器、电能表上分别设LORA模块，LORA模块分别包括MCU、存储芯片、射频芯片，与集中器串口通讯的LORA模块设为中心节点，与电能表串口通讯的LORA模块设为从节点，中心节点在同一网络中为唯一，从节点在同一网络中有多个，从节点的个数即为该网络的规模，从节点源编号n根据电能表地址大小将其排列为1～N，N为同一网络中电能表的个数，中心节点源编号为0，步骤如下：
（1）集中器通过串口向中心节点发出组网命令，中心节点以广播形式发出组网帧信号；
（2）收到组网帧信号的从节点，为了防止信号碰撞，等待自身时隙n*1秒，n=1～N，仅广播转发一次组网帧信号，转发时将组网帧源编号修改为自身源编号，并将组网帧时隙加上该收到组网帧信号的从节点自身时隙，同时中心节点和各从节点收集组网帧信号，可依据组网帧信号里面源编号判定是哪个从节点发出的信号，并记录发出该组网帧信号的节点；
（3）中心节点等待2轮周期后，一个周期为电能表规模数N*1秒，收集接收到的各从节点的转发组网帧信号，记录这些从节点并将其定义为层次1；
（4）将与层次1中的从节点通讯的从节点，从中剔除层次1的从节点后定义为层次2，将与层次2的从节点通讯的从节点，从中剔除层次1和层次2的从节点后定义为层次3,…,以此类推进行拓扑；
（5）中心节点采用遍历法，对各从节点进行路径查找，并筛选和存储中继数最少的3条路径，中心节点首先在层次1中的从节点查找目标节点，如有，则记录下该路径，如层次1中没有，则读取层次2中的从节点，如有，则记录下该路径，以此类推，找出中心节点到目标节点的中继数最少、层次数最少的三条路径，并存储在中心节点的存储芯片中，以此类推，中心节点到每个从节点的三条路径均存储在中心节点的存储芯片中，依据三条路径，中心节点可对各个从节点实现数据交互；
（6）集中器通过中心节点存储的路径，发送目标节点的抄表命令帧进行抄表，如果路径1不通，中心节点切换路径2抄读，如果路径2也不通，再切换到路径3抄读，3条路径都未抄读成功，则上报集中器该目标节点故障。
作为优选，在步骤（2）中，以中心节点发出组网帧信号的时隙为零开始计算，从节点等待自身时隙转发，并将组网帧时隙加上自身时隙，从节点第一次收到的组网帧时隙大于自身时隙时，则在下一轮周期转发。
本发明的有益效果在于：本发明设计了一种无线lora抄表模块，具有与集中器和电能表的数据交互能力，依靠自身的射频芯片，可实现无线组网，其组网为层次拓扑结构，实现快速抄读、高效组网、可扩容的网络模式，多条抄表路径设计，提高了抄表成功率，随着智能电网升级改造，在实现无线抄表、减少布线施工、节约成本同时，实现快速组网、减少节点、提升抄读速度、提高无线抄表成功率对整个电力行业都具有重要的意义。
附图说明
图1是发明LORA模块的工作原理图。
图2是LORA层次拓扑网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明提出了一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法，集中器、电能表上分别设LORA模块，LORA模块包括MCU、存储芯片、射频芯片，与集中器串口通讯的LORA模块设为中心节点，与电能表串口通讯的LORA模块设为从节点，中心节点在同一网络中为唯一，从节点在同一网络中有多个，从节点的个数即为该网络的规模，从节点源编号n根据电能表地址大小将其排列为1～N，N为同一网络中电能表的个数，中心节点源编号为0，步骤如下：
（1）集中器通过串口向中心节点发出组网命令，中心节点以广播形式发出组网帧信号；
（2）收到组网帧信号的从节点，为了防止信号碰撞，等待自身时隙n*1秒，n=1～N，仅广播转发一次该组网帧信号，转发时将组网帧源编号修改为自身源编号，并将组网帧时隙加上该收到组网帧信号的从节点自身时隙，当从节点第一次收到组网帧信号的时隙大于自身时隙时，则在下一轮周期转发，一个周期为电能表规模数N*1秒，同时中心节点和各从节点收集组网帧信号，根据组网帧的源编号判断是哪个从节点转发的信号，并记录该从节点；
（3）中心节点等待2轮周期后，收集接收到的各从节点的转发组网帧信号，记录这些节点并将其定义为层次1；
（4）将与层次1中的从节点通讯的从节点，从中剔除层次1的从节点后定义为层次2，将与层次2的从节点通讯的从节点，从中剔除层次1和层次2的从节点后定义为层次3,…,以此类推进行拓扑；
（5）中心节点采用遍历法，对各从节点进行路径查找，并筛选和存储中继数最少的3条路径，中心节点首先在层次1中的从节点查找目标节点，如有，则记录下该路径，如层次1中没有，则读取层次2中的从节点，如有，则记录下该路径，以此类推，找出中心节点到目标节点的中继数最少、层次数最少的三条路径，并存储在中心节点的存储芯片中，以此类推，中心节点到每个从节点的三条路径均存储在中心节点的存储芯片中，依据三条路径，中心节点可对各个从节点实现数据交互；
（6）集中器通过中心节点存储的路径，发送目标节点的抄表命令帧进行抄表，如果路径1不通，中心节点切换路径2抄读，如果路径2也不通，再切换到路径3抄读，3条路径都未抄读成功，则上报集中器该目标节点故障。
LORA模块通讯距离可达15公里，4层结构理论上传输距离可达60（15*4）公里，完全满足实际抄读电能表的应用情景。本方法将组网改为层次拓扑结构，可多路径抄表，在提升组网效率和抄读速率的同时，提高抄表成功率。
与集中器串口通讯的LORA模块为中心节点，该节点在同一网络中具有唯一性，与电能表串口通讯的LORA模块为从节点，该节点在同一网络中有多个，集中器通过中心节点和从节点通过各自的射频芯片数据交互，以自定义协议数据帧抄读电能表。
在步骤（1）～（4）中，主要要对各个从节点进行层次定义。中心节点和从节点、及从节点之间通过射频芯片组网。层次1定义为能与中心节点直接进行数据交互的从节点，层次2定义为能与层次1可直接进行数据交互的从节点，且要排除层次1中的从节点，依次类推，上一层次的从节点均可作为下一层次从节点的中继点，依此，在保证通讯信号得情况下，来拓展无线传送距离，也可以拓展从节点个数。一个台区电能表个数，可根据实际运行情况进行扩大网络规模，为了图形简约，图1中仅为列举10个节点。如规模为128个电能表，从节点源编号n根据电能表地址大小将其排列为1～128。
在步骤(2)中，为了防止信号碰撞，每个从节点均等待自身时隙n*1秒再转发。另外，为了防止信号混乱，当从节点第一次收到组网帧信号的时隙大于自身时隙时，则在下一轮周期转发，保证从节点的自身时隙总是大于第一次接收到的组网帧信号的时隙，这样后续时隙进行叠加后不会产生信号碰撞。在步骤（5）中，中心节点采用遍历法，对各节点进行路径查找，并筛选和存储中继数最少的3条路径。即要在集中器的存储芯片中存储每个从节点的3条路径，且以中继节点数最少、层次数最少为原则，中心节点找出到各从节点的三条路径并存储，实现快速组网。如果外界原因如电磁干扰、天气阴晴、障碍物遮蔽等原因导致路径1不通，中心节点切换路径2抄读，依次再切换到路径3抄读，3条路径都未抄读成功，则上报集中器该节点故障。层次结构使得中心节点到各个从节点中继节点尽量减少，避免了抄表帧从高层次向次层低传输，尽量避免数据在同层次节点冗余传输，减少不必要的中间节点，采用拓扑结构，网络可延伸扩展。
以目标节点10为例，集中器需要抄读电能表10时，中心节点-从节点1-从节点2-从节点3-从节点6-从节点8-从节点10，为同层次节点冗余传输路径。中心节点-从节点1-从节点5-从节点2-从节点3-从节点6-从节点8-从节点10，为高层次节点向低层次冗余传输的路径。本发明中选择三条节点数最少、层次分明路径存储，例如路径1：中心节点-从节点1-从节点5-从节点8-从节点10；路径2：中心节点-从节点2-从节点5-从节点8-从节点10；路径3：中心节点-从节点3-从节点6-从节点9-从节点10。如因外界因数，节点8和节点10产生故障，此时，抄表帧通过路径1和路径2都无法抄到电能表数据，进而切换路径3抄表成功，这样减小了因单一路径故障带来的抄表失败，进而提高该网络结构的抄表成功率。
本发明的有益效果在于：1、采用广播信号组网，时隙转发、收集组网信息，提高了组网效率；2、中继个数减少、提高抄读速率；3、网络适应性较强，可根据实际应用情形，扩大网络规模；4、存储多条路径，提高了抄表成功率。

Claims (2)

1.一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法，其特征在于：
集中器、电能表上分别设LORA模块，LORA模块分别包括MCU、存储芯片、射频芯片，与集中器串口通讯的LORA模块设为中心节点，与电能表串口通讯的LORA模块设为从节点，中心节点在同一网络中为唯一，从节点在同一网络中有多个，从节点的个数即为该网络的规模，从节点源编号n根据电能表地址大小将其排列为1～N，N为同一网络中电能表的个数，中心节点源编号为0，步骤如下：
（1）集中器通过串口向中心节点发出组网命令，中心节点以广播形式发出组网帧信号；
（2）收到组网帧信号的从节点，为了防止信号碰撞，等待自身时隙n*1秒，n=1～N，仅广播转发一次组网帧信号，转发时将组网帧源编号修改为自身源编号，并将组网帧时隙加上该收到组网帧信号的从节点自身时隙，同时中心节点和各从节点收集组网帧信号，可依据组网帧信号里面源编号判定是哪个从节点发出的信号，并记录发出该组网帧信号的节点；
（3）中心节点等待2轮周期后，一个周期为电能表规模数N*1秒，收集接收到的各从节点的转发组网帧信号，记录这些从节点并将其定义为层次1；
（4）将与层次1中的从节点通讯的从节点，从中剔除层次1的从节点后定义为层次2，将与层次2的从节点通讯的从节点，从中剔除层次1和层次2的从节点后定义为层次3,…,以此类推进行拓扑；
（5）中心节点采用遍历法，对各从节点进行路径查找，并筛选和存储中继数最少的3条路径，中心节点首先在层次1中的从节点查找目标节点，如有，则记录下该路径，如层次1中没有，则读取层次2中的从节点，如有，则记录下该路径，以此类推，找出中心节点到目标节点的中继数最少、层次数最少的三条路径，并存储在中心节点的存储芯片中，以此类推，中心节点到每个从节点的三条路径均存储在中心节点的存储芯片中，依据三条路径，中心节点可对各个从节点实现数据交互；
（6）集中器通过中心节点存储的路径，发送目标节点的抄表命令帧进行抄表，如果路径1不通，中心节点切换路径2抄读，如果路径2也不通，再切换到路径3抄读，3条路径都未抄读成功，则上报集中器该目标节点故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于LORA层次拓扑网络的无线抄表方法，其特征在于：在步骤（2）中，以中心节点发出组网帧信号的时隙为零开始计算，从节点等待自身时隙转发，并将组网帧时隙加上自身时隙，从节点第一次收到的组网帧时隙大于自身时隙时，则在下一轮周期转发。
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