基于LoRa技術(shù)的無線智能電表設(shè)計

山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 袁玉英

山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 羅永剛

中國移動德州分公司 袁慧祥

淄博市計量測試所 張光興

淄博貝林電子有限公司 鄒志遠(yuǎn)

1 引言

智能電表是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)電能采樣設(shè)備，負(fù)責(zé)記錄并存儲用戶的用電情況，并且將用電情況傳輸?shù)接秒姽芾聿块T，供能源生產(chǎn)著合理監(jiān)控電量消耗情況。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表已成為智能電網(wǎng)中的重要組成部分，傳統(tǒng)的人工抄表方式有數(shù)量大、誤差大等缺點，而且有些電表安裝地點偏遠(yuǎn)，有些則需帶電作業(yè)，危險大，費時費力，除了造成資源的浪費外，在實時性，準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在不足。使用LoRa技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)不僅覆蓋性廣、通訊成本低、能夠高效、實時的遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)，而且還能提高電力單位對抄表業(yè)務(wù)的管理規(guī)范性，解決了電表分布點分散，難以管理的問題，是電力相關(guān)單位理想的抄表方案。本文設(shè)計一種基于LoRa技術(shù)的智能電表，不但能夠記錄用戶用電數(shù)量、用電時間，并通過LoRa無線傳輸方式將信息遠(yuǎn)程傳到電力公司；與傳統(tǒng)電表相比，采用LoRa的智能電表無線穿透力更強、采集更準(zhǔn)確、無線覆蓋范圍更廣，可以提高工作效率，保證服務(wù)質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

LoRa無線智能電表是在電表內(nèi)部安裝有LoRa無線遠(yuǎn)傳模塊，采用LoRa擴頻技術(shù)進行數(shù)據(jù)無線穩(wěn)定傳輸，具有功耗低、性能穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)的特點，

解決了前期無線電表傳輸距離近、抗干擾性差和低功耗高等問題，將成為市場上無線抄表系統(tǒng)中電表的最佳選擇。智能電表主要功能包括：用戶用電量的計量存儲、多費率功能、停電抄表功能、通信功能、數(shù)據(jù)輪顯等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能，LoRa無線智能電表由控制模塊、計量模塊、通信模塊、電源模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊、時鐘模塊八個部分組成。

3 硬件設(shè)計

3.1 控制模塊

控制模塊采用STM8L052R8芯片。此芯片是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM8L超低功耗8位單片機，CPU內(nèi)核提供增強的處理能力，同時保持具有改進碼密度的CISC體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，24位線性尋址空間和優(yōu)化的低功耗操作架構(gòu)。該芯片具有集成調(diào)試模塊，其硬件接口允許非侵入式的應(yīng)用程序調(diào)試和超高速Flash編程。其微控制器的特點是嵌入式數(shù)據(jù)EEPROM和低功耗、低電壓、單電源程序閃存。其可提供12位ADC、實時時鐘、四個16位定時器、一個8位定時器以及標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如兩個SPI、1個I2C、三個USART和8×24或4×28分段液晶顯示接口。其工作在1.8伏至3.6伏之間。

3.2 通信模塊

通信模塊采用LoRa SX1278模塊。Semtech公司的SX1278可在保持低電流消耗的同時提供超長距離傳輸，適用于多種應(yīng)用。采用Semtech公司的專利調(diào)制技術(shù)，SX1278可以使用低成本晶體和材料實現(xiàn)超過140dBm的靈敏度。高靈敏度和+20 dBm集成功率放大器的使用使SX1278創(chuàng)建了最高鏈路設(shè)計，使其適用于任何要求范圍的應(yīng)用。這種調(diào)制技術(shù)比FSK在阻塞和選擇性方面具有顯著優(yōu)勢。該芯片還支持高性能的采用WMBus的(G)FSK、FCC Part 90、15.4g和其他調(diào)制模式。Semtech公司的技術(shù)克服了一個典型的性能與電流消耗的權(quán)衡。SX1278可比同類芯片提供更低的相位噪聲，更好的選擇性、接收機線性和IIP3。其覆蓋了137MHz至1050MHz的主要ISM頻段。為了便于匹配，降低成本，提高性能，SX1278支持高頻和低頻應(yīng)用，以滿足雙波段全球操作，或應(yīng)對未來帶寬分配的 變化。

3.3 計量模塊

計量模塊采用ADE7758芯片。ADE7758是由美國ADI公司生產(chǎn)的芯片，完成三相電能表電量的高精度計量。其能輸出兩路脈沖，有一個串行接口與其他器件連接。ADE7758中有二階∑-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電路和溫度傳感器等電子元件，還有一些信號處理元件以完成所有有功、無功和視在電能的計量及有效值的計量。ADE7758中的波形采樣寄存器可以訪問模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出。波形采樣寄存器集成有一個用于短時持續(xù)低電平或高電平的檢測電路，用戶編程決定閾值電壓和 半周期數(shù)。三相任意相的線電壓過零檢測同步于電壓過零點，過零檢測的結(jié)果有兩個用途：測量三個電壓輸入的任何一個周期及用于內(nèi)部芯片的線循環(huán)電能累加模式。該模式使電能累加同步于半周期的整數(shù)倍，從而使校準(zhǔn)更快更準(zhǔn)確。

ADE7758的SPI串行接口負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)。中斷請求輸出（IRQ）為開漏極，在低電平時有效。ADE7758出現(xiàn)一個或多個中斷事件時，IRQ輸出低電平。通過狀態(tài)寄存器顯示中斷事件的性質(zhì)。ADE7758采用24引腳小外形封裝（SOIC）。

3.4 電源模塊

電源模塊是整個智能電表的動力中樞，主要為電表的其他模塊提供電力，采用外部插排供電。

3.5 時鐘模塊

時鐘模塊采用DS1302芯片。該芯片給整個系統(tǒng)日歷時鐘，系統(tǒng)根據(jù)該時鐘決定什么時候凍結(jié)總用量、并且提供分時計量的時間基準(zhǔn)。該時鐘使用簡單并且自帶RAM，它的計時精確度可以到秒，而且具有閏年補償功能。DS1302可以一次傳送多個數(shù)據(jù)位的信號，并和CPU用三線端口進行同步通信。由于該時鐘使用簡單并且成本低，因此在產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。

3.6 存儲模塊

分時采集的總用量存儲在24C02芯片中。CAT24WC02是一個2K位串行電可擦除只讀存儲器，內(nèi)部組織有256個字節(jié)，每個字節(jié)8位，有一個16字節(jié)頁寫緩沖器，該器件和處理器采用串行總線通信 ，使用簡單節(jié)約端口，得到了廣泛的應(yīng)用。

3.7 按鍵、顯示模塊

由于表內(nèi)有大量的數(shù)據(jù)需要顯示，如果滿足用戶需求成為設(shè)計難題。該系統(tǒng)使用兩種顯示方式，一種為靜態(tài)顯示，一種為動態(tài)按鍵顯示。正常電表輪顯設(shè)置的參數(shù)，當(dāng)用戶按鍵的時候，從第一屏開始顯示，一直可以輪顯到44屏。如果20秒之內(nèi)用戶不再按鍵，系統(tǒng)由按鍵顯示狀態(tài)改為輪顯狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括通信程序、計量程序、顯示程序、按鍵掃描中斷子程序的軟件設(shè)計。

主要流程是系統(tǒng)上電后，首先初始化，然后調(diào)用計量程序采集并計算用電量，得到用電量后，調(diào)用顯示子程序在顯示屏上顯示數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)時間點存儲數(shù)據(jù)，同時檢測是否需要上傳數(shù)據(jù)，如果需要上傳根據(jù)協(xié)議上傳對應(yīng)數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)采集用戶用電電量，不斷循環(huán)這個過程。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于LoRa無線智能電表的軟硬件設(shè)計。LoRa無線智能電表可完成有功電能的計量與顯示、數(shù)據(jù)存儲、LoRa無線通信等多種功能，計量精確、穩(wěn)定，無線通信距離遠(yuǎn)，是遠(yuǎn)程無線抄表領(lǐng)域首選的智能電表。