CN114025323A - 基于LoRa通信的电网设备数据交互系统及方法 - Google Patents

基于LoRa通信的电网设备数据交互系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于LoRa通信的电网设备数据交互系统及方法，用以解决现有技术无法同时实现更长距离通信与更低功耗的技术问题；其系统包括LoRa终端、基站和多业务服务平台，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，终端A、终端B和终端C的工作模式均不相同，且终端A、终端B和终端C均与基站通信连接，基站与多业务服务平台通信连接。本发明通过搭建的LoRaWAN系统，可以完成智能硬件终端和客户端之间的通讯，实时显示智能硬件终端所采集上报的信息，也可以通过对智能硬件终端下发数据来实现一定的控制功能；通过LoRaWAN系统架构可以实现对整片区域的终端信息采集，节省很多成本；对数据进行加密和解析，提高数据传输的安全性。

Description

基于LoRa通信的电网设备数据交互系统及方法
技术领域
本发明涉及输电线路有线网技术领域，特别是指一种基于LoRa通信的电网设备数据交互方法及系统。
背景技术
现今存在的输电线路有线网存在着许多问题，比如接线复杂、改线工程大、易受损、不可移动、可靠性低、安全性低、扩展及维护困难等问题。对比与有线检测方式来说，无线网络所具有独特的优势如下：(1)无线传感器网络中的节点高度融合了数据采集、数据处理和通信功能，使设备装置变得更加简单，同时，因为采用的是无线通迅模式，所以就可以取消复杂的通信线路的布线，与传统技术相比，利用无线传感器网络无疑成本更低，发挥的作用却更大；(2)由于无线网络具有自组织性和大规模性，因此就可以分布式处理无线传感器；(3)无线网络更加适合运用在遥远的偏僻地区或者周围环境恶劣的地区。另外，在发生紧急情况时，无线传感器网络由于具有及时性和广泛性，因此更具有巨大的优势。
而无线方式较好地克服了高压输电线路监测区域广的问题，先进的LoRa无线组网的网络具有功耗低、成本低、安全性高、可靠性强、网络容量大、效率高的主要优点，无需布线、易扩展、灵活性高的特点推动了这种技术在输电线路广阔的应用前景。可以在杆塔、输电线和重高压设备上部署各种各样的传感器，通过这些传感器可以广泛采集导线温度、电压、电流、导线张力和导线冰冻等参数，随机传感器再将采集到的数据通过无线通信的方式传送到上位机监控中心，一旦参数出现与正常状况不一样的时候就马上发生警报，这样工作人员和管理人员就可以立马采取相关措施而不再让事故发生，降低事故的发生率。
目前最有发展前景的低功耗广域网通信技术是LoRa和NB-IoT。其中，LoRa由美国升特(Semtech)公司采用和推广，它采用了扩频技术实现超远距离无线传输。LoRa网络主要由终端、基站、多业务服务平台和客户端四部分组成，可以双向传输。NB-IoT是一种专为物联网设计的窄带射频技术，由3GPP标准化组织定义。以下从工作频段、数据速率、传输距离、网络部署、技术特点和终端电池工作时等几个方面对这两大最有前景的低功耗广域网通信技术进行比较，LoRa与NB-IoT基本参数比较如表1所示。
表1 LoRa与NB-IOT基本参数比较
参数 LoRa NB-IoT
工作频段 非授权频段 授权频段800MHz、900MHz
数据速率 290bps-50kbps 234.7kbps
传输距离 远距离 远距离
网络部署 独立建网 与现有蜂窝基站复用
技术特点 线性扩频 蜂窝
终端电池工作时间 约10年 约10年
成本 模块约5-10＄ 模块5-10＄
从表1中可以看出，LoRa和NB-IoT在数据速率、传输距离、低功耗以及成本之间相差并不大，它们的主要区别在于工作频段、网络部署和技术特点上面。在工作频段上，NB-IoT的工作频段是授权频段，即800MHz和900MHz，而LoRa工作在非授权频段，且各国或地区的非授权频段使用情况是不同的，在中国市场，由中兴主导的中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz；在网络部署上，由于NB-IoT使用的是授权频段，所以使用时直接部署在现有的蜂窝基站即可，对于LoRa而言则需要独立建网；在技术上，LoRa使用的是线性扩频技术，而NB-IoT使用的是蜂窝技术。由于LoRa是工作在非授权频段的，无需申请即可进行网络的建设，而且传输信息不需要经过第三方运营商，数据更加安全，运营成本也更低，同时LoRa网络部署也比较简单。目前，LoRa联盟正在全球大力推进标准化的LoRaWAN协议，使得所有符合LoRaWAN规范的设备都可以互联互通。电网智能监控模块与客户端之间的通信对于数据量和实时性要求不高，但是对低成本、低功耗、安全性和广域连接的特性要求较为严格。
LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准。通常低功耗一般很难覆盖远距离，远距离一般功耗高。它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。物联网应用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。在低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)产生之前，似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。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。
发明内容
针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于LoRa通信的电网设备数据交互方法及系统，解决了现有技术无法同时实现更长距离通信与更低功耗的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，包括LoRa终端、基站和多业务服务平台，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，终端A、终端B和终端C的工作模式均不相同，且终端A、终端B和终端C均与基站通信连接，基站与多业务服务平台通信连接。
优选地，所述终端A、终端B和终端C均加载了传感器，用于与基站建立连接，终端A、终端B和终端C分别通过传感器对物体进行智能感知，收集基站下发的数据，同时将电网设备数据信息上传至基站。
优选地，所述基站用于初始化LoRa通信网络，并分别与终端A、终端B和终端C建立连接，配置LoRa私有协议参数，收集和保存电网设备数据，上传电网设备数据至多业务服务平台，同时下发多业务服务平台数据至终端A、终端B或终端C。
优选地，所述多业务服务平台用于存储基站上传的电网设备数据，并对采集的历史数据、实时数据进行解析和打包，并将解析和打包后的数据下发至基站，并由基站将数据下发至终端A、终端B或终端C。
优选地，所述终端A对应工作模式下，终端A主动上报数据，只有在发送数据后的固定的窗口期终端A才能接收基站下发的数据。
优选地，所述终端B对应工作模式下，终端B固定在一个周期内打开窗口主动向基站上报数据并接收基站下发的数据。
优选地，所述终端C对应工作模式下，终端C的窗口一直处于打开状态，实时向基站上报数据并接收基站下发的数据。
一种基于LoRa通信的电网设备数据交互方法，其步骤如下：
建立LoRa终端与基站以及基站与多业务服务平台的连接，其中，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C均与基站相连接；
利用LoRa私有协议选择电网设备的工作模式，并根据工作模式相对应的终端进行数据的处理；
收集终端采集的数据，并上传至多业务服务平台进行保存。
优选地，所述建立LoRa终端与基站和基站与多业务服务平台的连接，包括：基站初始化后，将一个基站分别与终端A、终端B和终端C连接，构成星型拓扑结构，并且将初始化后的基站与多业务服务平台建立连接，并更新会话密钥。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：
1)本发明通过搭建的LoRaWAN系统，可以完成智能硬件终端和客户端之间的通讯，可以实时显示智能硬件终端所采集上报的信息，同时也可以通过对智能硬件终端下发数据来实现一定的控制功能；
2)LoRaWAN系统架构拥有的优势主要为：a)它的信号覆盖范围很广，容量也很高，在大片的区域内仅部署少量的基站就可以实现对整片区域的终端信息采集，可以节省很多成本；b)数据在经过这几部分时，会对数据进行加密和解析，这样数据的安全性也比较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的LoRaWAN系统架构示意图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图1所示，一种基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，包括LoRa终端、基站和多业务服务平台，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，终端A、终端B和终端C的工作模式均不相同，且终端A、终端B和终端C均与基站通信连接，基站与多业务服务平台通信连接。
所述LoRa终端即终端A、终端B和终端C均加载了传感器，用于与基站建立连接，终端A、终端B和终端C分别通过传感器对物体进行智能感知，收集基站下发的数据，同时将电网设备数据信息上传至基站。LoRa终端主要用于对物体进行智能感知，收集数据，并将该数据信息通过LoRa网络上传给基站，同时接收基站下发的数据。根据工作模式的不同，终端A、终端B和终端C分别对应Class A、Class B和Class C三类不同的工作设备，有的终端可以同时拥有三种工作模式并可以根据需求实现三种模式的自由切换。所述终端A对应工作模式Class A下，终端A主动上报数据，它的接收窗口平时关闭，只有在发送数据后的固定的窗口期终端A才能接收基站下发的数据。导致了Class A模式下的终端在工作时不能及时响应基站的下发数据，但是相对功耗会比较低，这种模式主要应用在对控制需求的实时性要求不高但是对低功耗要求高的场合，例如烟雾报警器系统实现。所述终端B对应工作模式ClassB下，终端B固定在一个周期内打开窗口主动向基站上报数据并接收基站下发的数据。这样就既满足了实时性又满足了低功耗，只不过这个固定周期对时间同步要求较高，主要应用在远程等系统的实现。所述终端C对应工作模式Class C下，终端C的窗口一直处于打开状态，实时向基站上报数据并接收基站下发的数据。终端C不考虑功耗，随时可以接收来自基站的下行数据，实时性最好，Class C工作模式适合对实时性要求较高，不需要考虑功耗问题的控制应用，比如城市物联网应用中的智能路灯控制系统。
所述基站用于初始化LoRa通信网络，并分别与终端A、终端B和终端C建立连接，配置LoRa私有协议参数，收集和保存电网设备数据，上传电网设备数据至多业务服务平台，同时下发多业务服务平台数据至终端A、终端B或终端C。基站是LoRaWAN系统架构的关键设备，终端通过它将数据上传到多业务服务平台，多业务服务平台也可以将数据通过它下发给终端模块。基站的目的是缓解海量终端数据上报时所引发的并发冲突。一个基站可以接入几十到几万个终端，基站可以根据每个终端不同的设备码，将不同的终端信息进行区分处理，它的兼容性很强，所有符合LoRaWAN协议的终端都可以接入。
所述多业务服务平台，用于存储基站上传的电网设备数据，并对采集的历史数据、实时数据进行解析和打包，并将解析和打包后的数据下发至基站，并由基站将数据下发至终端A、终端B或终端C。多业务服务平台主要负责整个系统的数据管理和解析，终端通过基站将数据上传到多业务服务平台，多业务服务平台端可以完成对上行数据包的解析和打包，后期，客户端可以通过唯一的ID和密钥连接到互联网得到终端上传的信息；同时，客户端也可以将数据通过多业务服务平台和基站下发给终端，首先客户端通过唯一的ID和密钥登录多业务服务平台，将数据下发给多业务服务平台，多业务服务平台负责将数据解析和打包然后下发给基站，最后基站将数据下发给终端。
通过LoRa终端、基站和多业务服务平台这三部分就搭建好了LoRaWAN系统，通过这个网络架构就可以完成智能硬件终端和客户端之间的通讯，客户端可以实时显示智能硬件终端所采集上报的信息，同时客户端也可以通过对智能硬件终端下发数据来实现一定的控制功能。LoRaWAN系统架构拥有很多的优势，首先它的信号覆盖范围很广，容量也很高，在大片的区域内部署少量的基站就可以实现对整片区域的终端信息采集，可以节省很多成本；其次，数据在经过这几部分时，会对数据进行加密和解析，这样数据的安全性也比较高。
实施例2，如图2所示，一种基于LoRa通信的电网设备数据交互方法，其步骤如下：
建立LoRa终端与基站以及基站与多业务服务平台的连接，其中，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C均与基站相连接；具体的，基站上电开启，对基站进行初始化，然后终端A、终端B或终端C发送建立连接的请求，基站收到终端A、终端B或终端C的连接请求，则发送连接响应。如果终端A、终端B或终端C收到基站响应，则注册连接上基站，一个基站可以连接多个LoRa终端(即终端A、终端B和终端C)，基站与LoRa终端构成星型拓扑架构，形成一个简单、灵活的私有网络。如果没有收到连接响应，LoRa终端周期性地进入信道活动检测(CAD)模式，当检测到信道忙时，LoRa终端进入短暂休眠状态，当连续两次检测到信道空闲时，LoRa终端再向基站发送入网请求。而基站初始化后，将与多业务服务平台建立连接并更新会话密钥，会话密钥更新由基站发起，多业务服务平台产生确认，基站接受确认后启用新会话密钥。若基站发送新会话密钥后，未收到多业务服务平台的确认，则重复发送会话密钥更新指令，直到收到确认为止。多业务服务平台在收到会话密钥更新命令时，仍然保留旧会话密钥，对收到的数据同时使用旧密钥和新密钥解密，当后续的数据上报使用了新会话密钥后，则表示新会话密钥已经工作正常，此时删除旧会话密钥。
利用LoRa私有协议选择电网设备的工作模式，并根据工作模式相对应的终端进行数据的处理；根据工作模式的不同，终端A、终端B和终端C分别对应Class A、Class B和Class C三类不同的工作设备，所述终端A对应工作模式Class A下，终端A主动上报数据，它的接收窗口平时关闭，只有在发送数据后的固定的窗口期终端A才能接收基站下发的数据。所述终端B对应工作模式Class B下，终端B固定在一个周期内打开窗口主动向基站上报数据并接收基站下发的数据。所述终端C对应工作模式Class C下，终端C的窗口一直处于打开状态，实时向基站上报数据并接收基站下发的数据。
收集终端(终端A、终端B或终端C)采集的数据，并上传至多业务服务平台进行保存。具体的，基站将收集LoRa终端采集并上传的数据，并进行数据处理，将电网设备的工作状态信息或LoRa上传的命令执行结果进行封装加密处理，通过以太网或者NB-IOT网络上传至多业务服务平台进行保存。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，其特征在于，包括LoRa终端、基站和多业务服务平台，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，终端A、终端B和终端C的工作模式均不相同，且终端A、终端B和终端C均与基站通信连接，基站与多业务服务平台通信连接，所述终端A、终端B和终端C均加载了传感器，用于与基站建立连接，终端A、终端B和终端C分别通过传感器对物体进行智能感知，收集基站下发的数据，同时将电网设备数据信息上传至基站。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，其特征在于，所述基站用于初始化LoRa通信网络，并分别与终端A、终端B和终端C建立连接，配置LoRa私有协议参数，收集和保存电网设备数据，上传电网设备数据至多业务服务平台，同时下发多业务服务平台数据至终端A、终端B或终端C。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，其特征在于，所述多业务服务平台用于存储基站上传的电网设备数据，并对采集的历史数据、实时数据进行解析和打包，并将解析和打包后的数据下发至基站，并由基站将数据下发至终端A、终端B或终端C。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，其特征在于，所述终端A对应工作模式下，终端A主动上报数据，只有在发送数据后的固定的窗口期终端A才能接收基站下发的数据。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，其特征在于，所述终端B对应工作模式下，终端B固定在一个周期内打开窗口主动向基站上报数据并接收基站下发的数据。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的基于LoRa通信的电网设备数据交互系统，其特征在于，所述终端C对应工作模式下，终端C的窗口一直处于打开状态，实时向基站上报数据并接收基站下发的数据。
7.一种基于LoRa通信的电网设备数据交互方法，其特征在于，其步骤如下：
建立LoRa终端与基站以及基站与多业务服务平台的连接，其中，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C，LoRa终端包括终端A、终端B和终端C均与基站相连接；
利用LoRa私有协议选择电网设备的工作模式，并根据工作模式相对应的终端进行数据的处理；
收集终端采集的数据，并上传至多业务服务平台进行保存。
8.根据权利要求7所述的基于LoRa通信的电网设备数据交互方法，其特征在于，所述建立LoRa终端与基站和基站与多业务服务平台的连接，包括：基站初始化后，将一个基站分别与终端A、终端B和终端C连接，构成星型拓扑结构，并且将初始化后的基站与多业务服务平台建立连接，并更新会话密钥。
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