物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)的作用

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【摘要】研究LoRa和eLTE-IoT兩種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于LoRa技術(shù)和eLTE-IoT技術(shù)的外置用電信息采集通信倉(cāng)，以用電信息采集業(yè)務(wù)的實(shí)際應(yīng)用為著力點(diǎn)，解決電力通信覆蓋盲區(qū)問(wèn)題。研究eLTE-IoT和LoRa技術(shù)原理，部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開(kāi)發(fā)或利用相關(guān)的平臺(tái)，通過(guò)兩者技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出對(duì)比性的客觀數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)敏感客戶設(shè)備停電告警實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障定位，做到快速定位、快速消缺做好研究基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

1LoRa在物聯(lián)網(wǎng)中的技術(shù)應(yīng)用

1.1背景。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是指通過(guò)各種信息傳感器、RFID技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接和交互的對(duì)象或過(guò)程，以及聲音、光、熱、電、機(jī)械、化學(xué)、生物和位置等需要采集的信息，全球定位系統(tǒng)、紅外傳感器、激光掃描儀等設(shè)備和技術(shù)通過(guò)各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物體與人之間無(wú)處不在的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體和過(guò)程的智能感知、識(shí)別和管理。運(yùn)營(yíng)商提供的4G網(wǎng)絡(luò)是人們生活中使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，比WiFi運(yùn)用更廣?？梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，室內(nèi)外皆可，速度非常快。這項(xiàng)技術(shù)看似優(yōu)越，但耗電量大，因此只能在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中使用，終端可以自己獲取電力，比如某公司的共享自行車，使用太陽(yáng)能電池板獲取電力。在遠(yuǎn)程場(chǎng)景中，如果終端無(wú)法解決供電問(wèn)題，則需要一種低功耗、大覆蓋的技術(shù)來(lái)滿足這種場(chǎng)景下物聯(lián)網(wǎng)的通信需求。因此，在商業(yè)和技術(shù)的推動(dòng)下，一些專家和企業(yè)開(kāi)發(fā)了一種新的通信技術(shù)LPWAN，即低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，以解決這一問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)RFID技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)和定位技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別、收集和感知貨物的標(biāo)識(shí)信息、屬性信息和周圍環(huán)境信息，并借助各種電子信息傳輸技術(shù)，將貨物的相關(guān)信息聚合成一個(gè)統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)，利用各種云計(jì)算、模糊識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘和語(yǔ)義分析等智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)貨物的相關(guān)信息進(jìn)行分析和融合最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)世界的高度認(rèn)知和智能決策控制。1.2LoRa技術(shù)簡(jiǎn)介。LoRa是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，低功耗一般很難覆蓋遠(yuǎn)距離，遠(yuǎn)距離一般功耗高，要想馬兒不吃草還要跑得遠(yuǎn)，好像難以辦到。LoRa的名字就是遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LongRangeRadio），它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3~5倍。它主要用于物聯(lián)網(wǎng)和電池供電的WLAN和WAN設(shè)備。LoRa是基于亞GHz頻段的，這使得在低功耗的情況下更容易進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。LoRa網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)跟蜂窩網(wǎng)絡(luò)類似，很多LoRa的運(yùn)營(yíng)商都是蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，他們只是在原有蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的基礎(chǔ)上增加天線來(lái)提供LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，很多情況下，LoRa天線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)天線共用，因?yàn)轭l率非常接近，所以LoRa有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。1.2.1LoRa無(wú)線系統(tǒng)主要功能包括。（1）遠(yuǎn)距離可達(dá)30英里，室外直線距離。（2）節(jié)點(diǎn)有數(shù)百萬(wàn)個(gè)。（3）電池壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。1.2.2LoRa技術(shù)要素。（1）RF接口LoRa的物理層管理節(jié)點(diǎn)或端點(diǎn)之間傳輸?shù)腞F信號(hào)，即接收信號(hào)的傳感器和LoRa網(wǎng)關(guān)。它控制信號(hào)頻率、調(diào)制格式、功率電平、發(fā)射和接收元件之間的信令等相關(guān)課題。（2）LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)元素有整體系統(tǒng)架構(gòu)、回程、服務(wù)器和應(yīng)用計(jì)算機(jī)、RF元件。1.3LoRa調(diào)制。LoRa是一種特殊的無(wú)線擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)。它與其它調(diào)制方式如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）及其衍生物有著明顯的對(duì)比。它結(jié)合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，具有前所未有的性能。在此之前，只有一些軍事通信系統(tǒng)會(huì)集成這些技術(shù)。隨著LoRa的引入，嵌入式無(wú)線通信領(lǐng)域的形勢(shì)發(fā)生了根本性的變化。LoRa調(diào)制解調(diào)器采用擴(kuò)頻通信技術(shù)和前向糾錯(cuò)技術(shù)，它融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸信息所需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展由一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，通過(guò)編碼和調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立于發(fā)送的信息數(shù)據(jù)；在接收端，相同的代碼用于同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)；前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯(cuò)誤碼元在接收端就會(huì)被及時(shí)糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來(lái)重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。其特點(diǎn)有第一是擴(kuò)大了無(wú)線通訊鏈路的覆蓋范圍（實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸）；第二則是具有更強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)于同信道GMSK干擾信號(hào)的抑制能力達(dá)到20dB。憑借這么強(qiáng)的抗干擾性，LoRa調(diào)制系統(tǒng)不僅可以用于頻譜使用率較高的頻段，也可以用于混合通訊網(wǎng)絡(luò)，以便在網(wǎng)絡(luò)中原有的調(diào)制方案失敗時(shí)擴(kuò)大覆蓋范圍。

2LoRa技術(shù)

2.1LoRa的通信特點(diǎn)。LoRa是采用SX1276/77/78收發(fā)器的終端節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用于超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信的LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器。它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能最大限度地降低電流消耗和功耗水平。LoRa的發(fā)射功率很低，是不通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)增加通信距離。產(chǎn)生的原因是：①傳輸頻率低，信號(hào)波長(zhǎng)，傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的衰落較??；②采用擴(kuò)頻技術(shù)，使信號(hào)的抗多徑和抗衰落能力更強(qiáng)，因此對(duì)傳輸功率的要求不高；③終端節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中的電流很小，接收電流低至10mA，休眠電流只有200μA，不僅降低了終端節(jié)點(diǎn)的能耗水平，還保證了終端節(jié)點(diǎn)可靠持久的工作壽命。2.2LoRa通信協(xié)議的特性。LoRaWAN是一種基于ALOHA的異步協(xié)議，即根據(jù)特定應(yīng)用場(chǎng)景的需要，節(jié)點(diǎn)可以長(zhǎng)時(shí)間或短時(shí)間睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節(jié)點(diǎn)必須定期聯(lián)網(wǎng)。例如，市面上的手機(jī)必須每1.5s與網(wǎng)絡(luò)同步一次，在NB-IOT中，這種同步比較少，但仍然是定期的，這會(huì)消耗額外的電池電量。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制是充分利用頻帶的一種有效方法，但從節(jié)點(diǎn)的角度來(lái)看，它并不有效。

3結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中會(huì)出現(xiàn)許多已知或未知的技術(shù)問(wèn)題，但在政府和大眾市場(chǎng)的政策支持下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將能夠突破一切困難，全球目標(biāo)智能化的實(shí)現(xiàn)將很快到來(lái)。與其他通信技術(shù)相比，LoRa具有功耗低、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

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作者:張一晨 劉瑞 范子濤 宋俊廷 單位:國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司烏魯木齊供電公司