CN113784232B - 一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法，通过LoRa中断处理方法，多帧连续唤醒方法以及控制水表接收处理通信报文方法，其中LoRa中断处理方法合理安排中断的处理优先级，针对中断做了对应的处理，实现LoRa低功耗运行；通过多帧连续唤醒方法，减少表计通信时对其他表计的功耗影响，降低通信功耗；另外控制水表接收处理通信报文方法减少多次通信情况下造成的额外功耗，使LoRa接收时间根据每次通信需求动态调节，降低通信功耗。采用中断的方式在LoRa工作时，水表MCU处于低功耗状态，极大降低了表计运行功耗，能够有效降低LoRa智能水表的电池消耗。

Description

一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法

技术领域

本发明涉及智能水表技术领域，尤其涉及一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法。

背景技术

LoRa是一种扩频调制通信技术，具有低功耗、通信距离远的特点，在低功耗广域网中有较多应用，尤其是在智能水表中。LoRa智能水表由单个电池供电，设计寿命最低6年，甚至10年，因此对智能水表的功耗设计以及运行方式有较高要求。

目前LoRa智能水表一般应用星型网络结构，一个主节点附带多个从节点，存在采集系统与目标表计通信时会造成其他表计产生较高功耗的问题，为避免此问题较多方案采用主动上报的方式，丧失了实时性，对于有阀控的表计不适用。而且由于功耗的不确定性，主流方案是采用电池容量对折的方法来设计的，即根据静态功耗计算所需电池容量，在选型时选择容量2倍的电池，此种方式也不能根本解决功耗问题，设计年限无法保证，且额外增加了表计成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法，降低了表计的通信功耗和运行功耗，解决了LoRa智能水表实时通信功耗高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法，通过LoRa中断处理、多帧连续唤醒方法以及控制水表接收处理通信报文，来实现水表的低功耗通信。水表模块以一个固定时间间隔运行LoRa的CAD以检测是否有信号存在，采集设备需要与表计通信时，连续发送唤醒报文至少一个信号检测周期的时间，唤醒表计，然后紧接着发送通信内容，实现实时通信。

进一步地，所述LoRa中断处理通过LoRa芯片DIO0引脚与水表MCU具有外部中断功能的引脚相连接，利用DIO0指示发送、接收和CAD相关状态，包含以下步骤：

步骤1：水表MCU读取LoRa中断标识寄存器并清除LoRa内部中断标识，进入步骤2；

步骤2：判断是否有接收完成中断，若有则设置LoRa待机模式，读取接收报文处理报文，进入步骤9，否则进入步骤3；

步骤3：判断是否有发送完成中断，若有则清除发送超时时间进入步骤4，否则进入步骤5；

步骤4：判断是否有无后续帧，若有后续帧，则开启LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤9，若无则进入步骤8。

步骤5：判断是否有CAD完成中断，若是则进入步骤6，否则进入步骤7；

步骤6：判断是否有有效信号中断，若是，则开启LoRa单次接收模式，进入步骤9。否则进入步骤8。

步骤7：判断接收超时时间是否为0，若为0则进入步骤8，否则开启LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤9。

步骤8：设置LoRa睡眠模式。

步骤9：等待新的LoRa中断，进入步骤1，实现LoRa低功耗运行，降低水表自身运行功耗。

进一步地，所述多帧连续唤醒方法，是通过采集设备连续发送单帧唤醒报文，其发送时间不小于水表模块定时检测信号的时间间隔，其中单帧唤醒报文的前导码持续时间不大于唤醒报文内容的持续时间，在发送完唤醒报文之后立即发送通信报文。

进一步地，所述控制水表接收处理通信报文包含以下步骤：

步骤1：判断是否本机地址且校验正确的报文，若是，则进入步骤3，否则进入步骤2；

步骤2：判断接收超时时间是否为0，若是则进入步骤5，否则开启LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤5；

步骤3：判断是否为唤醒报文，若是则设置LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤5。否则进入步骤4；

步骤4：判断是否有后续帧标识，设置相应的标识位，根据协议解析报文并发送报文的响应帧，进入步骤5；

步骤5：水表MCU进入低功耗模式，等待新LoRa中断，进入LoRa中断处理，降低了单次通信持续时间，避免水表模块通信时对其余水表的影响，降低通信功耗。

本发明的有益技术效果：

1.LoRa中断处理方法实现了LoRa的低功耗运行，使得LoRa在工作时，水表模块MCU可以处于睡眠状态，降低运行功耗，并且仅用LoRa的1个DIO引脚即可实现LoRa的低功耗运行，节省了水表模块MCU资源消耗。同时对于LoRa各中断信号的处理也能够处理各种异常情况，保证LoRa最终都会进入低功耗模式。

2.多帧连续的唤醒方法，极大降低了通信时对其余表计的功耗影响。

3.通信报文中有后续帧的标识，使得单次唤醒可进行多次通信，避免多次唤醒或者统一唤醒时间导致额外的功耗，根据通信需求维持唤醒时间，降低了单次通信的功耗。从而降低了水表整体功耗，延长电池寿命。

附图说明

图1是本发明基于LoRa的智能水表低功耗通信方法的多帧连续唤醒方法意图。

图2是本发明基于LoRa的智能水表低功耗通信方法的的LoRa中断处理流程图。

图3是本发明基于LoRa的智能水表低功耗通信方法的控制水表模块报文解析流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法，水表模块以固定时间间隔运行LoRa的CAD功能，检测是否有信号存在，LoRa信号包含前导码和数据两部分，CAD模式检测的是前导码，当检测到前导码时，产生相应的中断。

本发明采用多帧连续发送唤醒报文的方式唤醒表计，报文组合方式如图1所示，为至少一个检测周期的唤醒报文和通信报文。对于其余表计而言，当目标表计通信时，其余表计仅会接收到一帧唤醒报文，由于不是本机地址的报文，其余表计会立即进入低功耗状态。从而极大减小了单次通信对其余表计的功耗影响，极大降低了表计运行功耗。

如图2所示，一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法，包括LoRa中断处理，具体包含以下步骤：

步骤1：水表模块MCU读取LoRa芯片内容中断标识寄存器，并清除内部中断标识寄存器，防止重复进入中断，导致错误处理，进入步骤2；

步骤2：判断是否存在接收完成中断标识，若是，则设置LoRa待机模式，停止接收新报文，处理接收的报文，进入步骤9，否则进入步骤3；

步骤3：判断是否存在发送完成中断标识，若是则进入步骤4，否则进入步骤5；

步骤4：判断是否存在后续帧，若存在，则开启连续接收模式，并设定超时时间进入步骤9，否则进入步骤8；

步骤5：判断是否存在CAD完成标识，若存在，则进入步骤6，否则进入步骤7；

步骤6：判断是否存在有效信号中断，若存在，则设置LoRa单次接收模式，进入步骤9，否则进入步骤8；

步骤7：判断超时时间是否为0，若为0，则进入步骤8；否则设置LoRa连续接收模式，进入步骤9；

步骤8：设置LoRa睡眠模式；

步骤9：等待新的LoRa中断，进入步骤1。

本发明中对于LoRa的DIO1产生的中断仅用作单次接收超时中断，产生中断时，设置LoRa睡眠模式，无需其他操作。

本发明基于中断的方式处理LoRa信号，这样在LoRa芯片工作时，水表模块MCU处于低功耗模式，极大减小了功耗。并且有无后续帧的判断，可以按照通信需求设置LoRa的接收时间。否则当出现多个通信需求时，只能分多次唤醒，或者每次唤醒LoRa均保持接收一定时间，造成没有必要的通信消耗。

如图3所示，一种基于LoRa的智能水表低功耗通信方法，包括控制水表接收处理报文，具体包含以下步骤：

步骤1：判断是否本机地址且校验正确的报文，若是，则进入步骤3，否则进入步骤2；

步骤2：判断接收超时时间是否为0，若是则进入步骤5，否则开启LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤5；

步骤3：判断是否为唤醒报文，若是则设置LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤5。否则进入步骤4；

步骤4：判断是否有后续帧标识，设置相应的标识位，根据协议解析报文并发送报文的响应帧，进入步骤5；

步骤5：MCU进入低功耗模式，等待新LoRa中断,进入loRa中断处理。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种基于远距离无线电LoRa的智能水表低功耗通信方法，其特征在于，通过远距离无线电LoRa中断处理、多帧连续唤醒方法、控制水表接收，处理通信报文；

所述远距离无线电LoRa中断处理将远距离无线电LoRa芯片的DIO引脚与水表微控制单元MCU的具有外部中断功能的引脚相连接，通过DI0引脚指示信号活动检测CAD是否中断、信号发送、信号接收，远距离无线电LoRa中断处理具体包含以下步骤：

步骤1：水表微控制单元MCU读取远距离无线电LoRa中断标识寄存器并清除远距离无线电LoRa内部中断标识，进入步骤2；

步骤2：判断是否接收完成中断，若接收完成中断，设置远距离无线电LoRa待机模式，读取接收报文并处理报文，进入步骤9，否则进入步骤3；

步骤3：判断是否发送完成中断，若发送完成中断，清除发送超时时间，进入步骤4，否则进入步骤5；

步骤4：判断是否无后续帧，若有后续帧，则开启远距离无线电LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤9，若无则进入步骤8；

步骤5：判断信号活动检测CAD是否完成中断，若是则进入步骤6，否则进入步骤7；

步骤6：判断有效信号是否中断，若是，则开启远距离无线电LoRa单次接收模式，进入步骤9，否则进入步骤8；

步骤7：判断接收超时时间是否为0，若为0则进入步骤8，否则开启远距离无线电LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤9；

步骤8：设置远距离无线电LoRa睡眠模式；

步骤9：等待新的远距离无线电LoRa中断，进入步骤1；

所述多帧连续唤醒方法是通过采集设备连续发送单帧唤醒报文，其发送时间不小于水表模块定时检测信号的时间间隔，其中单帧唤醒报文的前导码持续时间不大于唤醒报文内容的持续时间，在发送完唤醒报文之后立即发送通信报文；

所述控制水表接收包含以下步骤：

步骤1：判断是否本机地址且校验正确的报文，若是，则进入步骤3，否则进入步骤2；

步骤2：判断接收超时时间是否为0，若是则进入步骤5，否则开启远距离无线电LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤5；

步骤3：判断是否为唤醒报文，若是则设置远距离无线电LoRa连续接收模式并设定超时时间，进入步骤5，否则进入步骤4；

步骤4：判断是否有后续帧标识，设置相应的标识位，根据协议解析报文并发送报文的响应帧，进入步骤5；

步骤5：微控制单元MCU进入低功耗模式，等待新远距离无线电LoRa中断，进入中断处理。

Images