1 智能燃气表无线
通信技术的现状
智能燃气表的远程通信技术包括有线通信技术和无线通信技术，随着无线通信技术不断进步，其在智能燃气表的远程通信得到逐渐的使用和广泛推广，使得燃气表远程通信更加方便、快捷，为智能燃气表的管理和服务提供了更多便利。
我国人口密度大、分布广、布局复杂、用户需求复杂，对智能燃气表的无线通信提出了更高的要求，各智能燃气表厂家和燃气公司对此进行了大量的研究，推出了多种无线通信方式。现在市场上各种产品主要的通信方式有4种：GFSK调制解调方式、自组网方式、SIM卡GPRS通信方式、LoRa扩频方式。
①GFSK调制解调方式
这种方式的通信速率快，但通信距离短，需要大量的中继器，安装不方便；功耗大，电池使用寿命短；网络复杂，信息交换容易出错。
②自组网方式
网络复杂，网络效率低，功耗大；不能实时获取表端信息；入住率低时没法组网；超级节点的负载太大；网络拓扑动态变化，其变化方式和传输速度都不可预测。
③SIM卡GPRS通信方式
这种方式虽然通信距离远，通信速率快，但是通信电流大（可达1 A以上），不符合燃气表国家标准规定的小于500 mA的要求，使用存在安全隐患。
SIM卡GPRS通信方式不仅通信电流大，通信功率也可达1 W以上，不符合无线电管委会文件对于功率小于50 mW的要求，对燃气表低功率的要求实际上是考虑燃气使用安全。该方式功耗大，只能一天、一个星期或一个月通电工作一次，不能实时在线，不符合物联网的要求。另外，当移动网络升级时，要大量更换SIM卡。
④LoRa扩频方式
LoRa扩频方式是以时间换空间，通信距离远，但通信速率慢；实时性差，通信信息量小（少于10 B/s），一般只能实现抄表等简单的功能。
2 LoRa通信技术的特点
LoRa技术是由全球知名模拟混合信号与
半导体供应商Semtech公司发布的一种专用于无线电调制解调的技术，融合了数字扩频技术、数字处理技术和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。
由于LoRa技术融合了多项先进技术，综合了多种技术的优越性，其最大的特点在于可以在同等功耗下取得更远的通信距离，无需中继器，功耗降低，抗干扰性和安全性也得以提高，主要适用于低速率通信，如燃气表抄表、水表抄表、温湿度监测、PM2.5监测、人和车流量监测、灯光控制等。
3 LoRa通信技术的原理
智能燃气表的远程通信采用LoRa技术，主要是利用LoRa所融合的前向纠错编码技术和扩频调制技术。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加一些冗余信息，这样数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。数字扩频调制器将分组数据包中每一比特馈入一个展扩器中，将1 bit/s划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64～4 096码片/bit。Angel Blocks配置调制解调器可使用4 096码片/bit中的最高扩频因子。通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。
3.1 前向纠错编码技术
前向纠错编码技术是增加数据通信可信度的方法。在单向通信信道中，一旦错误被发现，其接收器将无权再请求传输。前向纠错编码技术是利用数据进行传输冗余信息的方法，当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。前向纠错编码技术是通过在待传输数据序列中增加一些冗余信息，这样数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。
3.2 扩频调制技术
扩频通信，即扩展频谱通信技术，它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征：扩频通信是一种数字传输方式；带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数（扩频函数）对被传信息进行调制实现的；在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。
扩频通信技术的原理是尽可能使用最大带宽，同样的能量在一个大的带宽上传播，信号所占有的带宽远大于所传信息必需的最小带宽，频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
扩频调制技术在其他领域应用了很多年，在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8～10 dB的灵敏度，LoRa模块集成了Semtech研制的LoRa扩频调制方式，既能实现远距离传输，又能使功耗低且增加系统容量。
4 采用LoRa技术的通信网络结构
LoRa技术采用星形网络架构，与网状网络架构相比，具有低延迟的最简单的网络结构。基于LoRa的扩频芯片，可以实现燃气表与集中器直接组网连接，构成星形。由于LoRa技术传输距离远，应用于智能燃气表远程通信时无需中继器，使用简单的星形组网就可以建立LoRa微功率网络，因此其通信网络结构为典型的星形网络结构，见图1。
图1 智能燃气表的LoRa通信网络结构
一个集中器与多只智能燃气表相连接，智能燃气表表端的通信模块上装有LoRa模块，将表端的数字信号调制为LoRa信号并发送至集中器，集中器上装有LoRa模块和GPRS模块，利用LoRa模块将接收到的LoRa信号解调处理，转换为GPRS信号并传输至基站，基站收到信息后进一步通过GPRS骨干网和Internet网络传输至燃气公司，实现智能燃气表表端信息的上传。燃气公司对表端的控制信息的下发是上述表端信息上传的逆过程。首先燃气公司通过Internet网络和GPRS骨干网将控制信息传输至基站，基站再将控制信息以GPRS的格式进一步传输至集中器上的GPRS模块，集中器上的LoRa模块将GPRS信号转换为LoRa信号后传输至燃气表端的LoRa模块，将LoRa信号转换为数字信号，实现对燃气表的控制。
5 LoRa通信技术应用在智能燃气表的特点
①传输距离远
LoRa采用扩频通信技术，其原理是尽可能使用最大带宽， 使同样的能量在一个大的带宽上传播。增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度时，允许信噪比进一步降低。LoRa技术就是用宽带传输技术来换取信噪比方面的益处，增大传输距离。例如，在一个运转良好的调制接收端，通过可靠地解调信号可实现8 dB的最小信噪比，LoRa采用配置Angel Blocks的方式，可解调一个信号，其信噪比为-20 dB。一般在户外环境下，信噪比增大6 dB，传输距离就可以增大一倍，LoRa技术信噪比比GFSK方式的信噪比大28 dB，即LoRa技术在传输范围和距离上扩大了很多。
目前远距离无线控制、遥测、自动抄表系统、无线传感器等采用的RF无线模块在郊区的传输距离只有1～2 km，LoRa技术可大幅延长传输距离，在建、构筑物稀疏的环境中传输距离可达5 km，在建、构筑物稠密的环境中传输距离可达2 km，因此不需要中继器及复杂的通信基础设施。由于传输距离增加，可以大幅减少中继器的使用，简化了系统设计，显著降低了对中继器的需求，节约了大量的中继器制造、安装、维护成本，其优越性可想而知。
②传输功耗低
LoRa采用扩频调制技术，可解调低于20 dB的噪声，这确保了高灵敏度和可靠的网络连接，要达到同样的链路预算值，LoRa技术所需的发射功率远远低于传统的调制技术，而使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率，且可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量，因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存。与传统采用固定速率的调制系统相比，LoRa协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，从而有效降低了数据传输的功耗，延长了电池的寿命。
③抗干扰性强
LoRa技术增强了信号的抗干扰性，与传统模式相比，数据的传输更加稳定。抗干扰性强是扩频通信的主要特性之一，因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，干扰也不起作用。因此采用LoRa技术进行燃气表远程通信，特别适用于居民房屋密集、布局复杂的场合，这刚好符合中国国情的需要。
④传输速率低
由于LoRa技术采用的是扩频调制技术，扩展编码调制生成更多片的数据流，导致通信数据率下降，同样的传输带宽下，LoRa技术的传输速率不及传统的调制技术高，而且其调制和解调机制较复杂。LoRa技术主要用于低速率通信（如传感器数据），即LoRa技术在小区通信可以做到长距离，前提是通信量少，虽然目前用于智能燃气表的集中抄表还能满足要求，但是随着智慧城市的发展，对智能燃气表远程管理和控制的智慧化要求越来越高，LoRa技术必须同时兼顾通信距离和通信速率两个方面，才能更好地应用于智能燃气表的远程通信。
⑤实时性差
由于LoRa技术的传输速率低，而且其与主站通信时需要排队，因此实时性较差。这在智能燃气表远程管理中无法满足部分功能要求，如实时抄表、实时调价、实时阀控等，从而使得LoRa技术在智能燃气表远程通信方面的应用受限。
⑥通信信息量少
LoRa扩频通信技术的通信信息量少（少于10 B/s），一般只能实现抄表等简单的功能。面对计量仪表日益增长的智能化需求，智能计量仪表将具备越来越多的远程智能管理和控制功能，这对通信信息量的要求也会相应提高，LoRa扩频技术仍需进一步深入研究，来满足市场需求。
⑦成本高
LoRa射频芯片的价格比传统调制技术的芯片高许多，提高了智能燃气表的成本。
使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和更远的传输距离，这种低功耗广域技术正是我们所需要的。但是其传输速率低，实时性差，要想更好地应用于智能燃气表的远程通信中，LoRa技术仍需进一步开展技术研究，提高其传输速率以及实时性，以满足更多功能需求，并适应燃气表行业的发展。
6 结论
LoRa技术集成了传输距离远、误码率低、抗干扰等诸多优点，适用于房屋密集、通信环境比较复杂的传输场合。但是其传输速率低，实时性差，要想更好地应用于智能燃气表的远程通信中，仍需进一步进行技术研究，提高其传输速率以及实时性，以满足更多功能需求。
原作者：邵泽华 煤气与热力杂志
