一種基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費(fèi)電能表

嚴(yán) 冬，賀開俊，程亞軍，王 平，李帥永

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能抄表開始成為研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)有電能表抄表主要分為有線抄表和無線抄表。有線抄表的通信方式主要是電力線通信或者RS485通信。電力線通信可以利用現(xiàn)成電網(wǎng)，不需要額外線路投資，布線成本低，但是存在間歇性噪聲較大（某些電器的啟動(dòng)、停止和運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲）、信號(hào)衰減快、線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等不利因素[1]。RS485通信結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)抄表，但是布線工作量龐大，線路容易老化和破損，維護(hù)成本高[2]。無線抄表的通信方式主要有GPRS和ZigBee。GPRS是由電信運(yùn)營商構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)，需要額外支付網(wǎng)絡(luò)接入費(fèi)，系統(tǒng)建造和維護(hù)的成本也比較高，而且GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定，抗干擾能力差。而依靠ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行抄表雖然能減少建造成本，但是受到短距離通信的限制，也不適合進(jìn)行大面積推廣。

針對(duì)上述問題，在智能電表抄表領(lǐng)域迫切需要一種成本低、抗干擾能力強(qiáng)以及通信距離遠(yuǎn)的通信技術(shù)。LoRa無線通信技術(shù)就是其中典型代表，也是最具發(fā)展前景的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)之一[3]。LoRa是一種工作在全球免授權(quán)頻段的新型無線通信技術(shù)，部署與運(yùn)營維護(hù)成本低，具有數(shù)據(jù)安全可控，抗干擾能力強(qiáng)以及通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[4-5]將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用到智能抄表系統(tǒng)，但是只能實(shí)現(xiàn)小范圍（2000 m內(nèi)）的有效通信，無法滿足遠(yuǎn)距離通信的要求，主要原因是其射頻路徑損耗較大，能量輸出較小。本文將LoRa無線通信技術(shù)應(yīng)用到智能抄表領(lǐng)域并將其與單相預(yù)付費(fèi)電能表結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費(fèi)電能表。本文通過對(duì)LoRa通信模塊射頻電路進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了路徑損耗，提高了能量傳輸效率。測(cè)試結(jié)果表明該電能表有效通信距離可達(dá)到6000 m，而且抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地滿足了智能抄表的通信需求，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 LoRa通信模塊設(shè)計(jì)

LoRa通信模塊總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

由圖1可知，LoRa通信模塊主要由主控（MCU）模塊、射頻（RF）模塊、通信接口以及電源模塊組成，下面進(jìn)行簡要介紹。

圖1 LoRa通信模塊總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design of LoRa communication module

主控模塊主控模塊是整個(gè)無線通信模塊的“管家”，對(duì)整個(gè)無線模塊起控制和管理作用。

射頻模塊由射頻芯片、時(shí)鐘電路、電源濾波電路、射頻前端、阻抗匹配和微帶傳輸線組成。其中射頻芯片采用具有LoRa技術(shù)的SX1276芯片，是射頻電路的核心。射頻模塊是整個(gè)LoRa通信模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。

通信接口由UART和GPIO接口組成，便于采集電能表相關(guān)數(shù)據(jù)。

電源模塊采用鋰電池供電，為各個(gè)模塊的正常運(yùn)行提供電能，便于電能表進(jìn)行通信測(cè)試。

接下來將重點(diǎn)介紹射頻模塊中的濾波器設(shè)計(jì)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和微帶傳輸線設(shè)計(jì)。

1.1 濾波器設(shè)計(jì)

本文采用ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一款適用于433 MHz頻段的帶通濾波器，主要目的是過濾掉射頻端口產(chǎn)生的基頻高次諧波。圖2和圖3為帶通濾波器仿真效果圖。

由圖2可知，發(fā)射中心頻率為433MHz時(shí)S（1，1）和S（1，2）分別為-22.677 dBm 和-0.024 dBm，具有良好的帶通特性。同時(shí)，由圖3可以看出，在發(fā)射中心頻率為433 MHz時(shí)，其歸一化阻抗值為1-j0.147，十分接近標(biāo)準(zhǔn)阻抗，具有良好的阻抗特性。帶通濾波器濾波效果圖如圖4所示。

圖2 帶通濾波器S參數(shù)仿真圖Fig.2 Band-pass filter S parameter simulation diagram

圖3 帶通濾波器Smith圓圖Fig.3 Band-pass filter smith diagram

圖4 帶通濾波器濾波效果圖Fig.4 Band-pass filter filter effect diagram

由圖4可知，該款帶通濾波器有效濾除了系統(tǒng)中的高次諧波，具有較好的選頻特性。同時(shí)，頻譜測(cè)試功率為19.65 dBm，與理想發(fā)射功率20 dBm十分接近，插入損耗較小。

1.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步降低射頻鏈路路徑損耗，提高能量傳輸效率，本文借用Smith圓圖進(jìn)行了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。根據(jù)射頻芯片的阻抗特性，采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)射頻端口進(jìn)行50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗匹配，射頻端口阻抗匹配方案如圖5所示。

圖5 射頻端口阻抗匹配方案Fig.5 RF port impedance matching scheme

由圖5可知，結(jié)合Smith圓圖阻抗點(diǎn)匹配規(guī)律，先串聯(lián)電容，沿等電阻圓逆時(shí)針移動(dòng)，再并聯(lián)一個(gè)電感，沿等電導(dǎo)圓逆時(shí)針移動(dòng)。通過對(duì)串聯(lián)電容和并聯(lián)電感值的調(diào)整，有效的將源阻抗13.7+j2.6 Ω匹配到標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω，其中電容取值12.8 pF，電感取值9.8 nH。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，該電容電感分別取值 13 pF、10 nH。

1.3 微帶傳輸線設(shè)計(jì)

微帶線是集成電路板中主要的傳輸線方式，良好的微帶傳輸線設(shè)計(jì)能夠減少射頻路徑損耗，確保信號(hào)的有效傳輸[6-8]。本文通過AppCAD工具進(jìn)行50 Ω阻抗值微帶線的計(jì)算與設(shè)計(jì)，如圖6所示為50 Ω微帶線示意圖。通過仿真軟件對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)基片厚度、介質(zhì)表面銅厚、走線對(duì)地寬度等參數(shù)的設(shè)置和走線寬度的調(diào)整最終得到50.8 Ω的微帶線，幾乎完美的接近50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，最終具體參數(shù)如表1所示。

圖6 50 Ω微帶線示意圖Fig.6 50 Ω microstrip line schematic

表1 50 Ω微帶線具體參數(shù)Fig.1 50 Ω microstrip line specific parameters

2 電能表設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

本文提出的一種基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費(fèi)電能表，主要包括微處理器、電能計(jì)量模塊、繼電器控制模塊、電源模塊、預(yù)付費(fèi)模塊和LoRa通信模塊。電能表總體設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 電能表總體設(shè)計(jì)方案Fig.7 Overall design of electric energy meter

2.2 各模塊功能

2.2.1 微處理器

本文提出的電能表微處理器采用上海復(fù)旦微電子有限公司的FM3308電能表專用芯片，微處理器是電能表的核心，通過強(qiáng)大的計(jì)算能力和處理事件的能力將其他模塊連接起來形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，完成電能表的電能計(jì)量、數(shù)據(jù)顯示、繼電控制、預(yù)付費(fèi)以及無線通信的功能。

2.2.2 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊包括電流取樣、電壓取樣和電能計(jì)量芯片。本文提出的電能表的電能計(jì)量芯片采用深圳市瑞能微科技有限公司的單相多功能防竊電專用計(jì)量芯片RN8209C。電能計(jì)量芯片將采集到的電壓和電流信號(hào)通過增益放大器進(jìn)行放大，接著通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過濾波后，電流與電壓數(shù)據(jù)相乘得出有功功率，最后以高脈沖的形式并經(jīng)過處理后發(fā)送至微處理器。

2.2.3 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊包括繼電器和繼電器控制，主要用于控制電路的通斷。當(dāng)微處理器接收到售電管理系統(tǒng)傳來的用戶欠費(fèi)信號(hào)時(shí)，微處理器發(fā)出斷開命令，繼電器控制接收命令后控制繼電器執(zhí)行命令，切斷用戶電能供應(yīng)。

2.2.4 電源模塊

電源模塊包括電力線供電和鋰電池供電，正常情況下通過電力線對(duì)電能表進(jìn)行供電，當(dāng)線路發(fā)生故障停電時(shí)，則由鋰電池對(duì)電能表進(jìn)行供電，保證電能表通信正常。

2.2.5 預(yù)付費(fèi)模塊

通過在電能表內(nèi)插入IC卡實(shí)現(xiàn)電能表的預(yù)付費(fèi)功能，主要功能有：

數(shù)據(jù)預(yù)置功能售電管理系統(tǒng)可通過用戶IC卡對(duì)預(yù)購電量、剩余報(bào)警電量門限、最大囤積電量、負(fù)荷門限以及協(xié)議透支電量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

智能控制功能電能表采用脈沖采樣方式自動(dòng)計(jì)量用戶電量，當(dāng)用戶購電量用完或協(xié)議透支電量用盡時(shí)，電能表輸出跳閘控制信號(hào)，切斷用戶用電。

預(yù)報(bào)警功能當(dāng)用戶電能表中顯示的剩余電量小于報(bào)警電量時(shí)，給予用戶報(bào)警提示，以便用戶盡快購電。

負(fù)荷控制功能當(dāng)用電負(fù)荷連續(xù)超過電能表設(shè)定的控制值時(shí)，電能表的負(fù)荷開關(guān)自動(dòng)斷開，保護(hù)用電線路、設(shè)備不受損壞，當(dāng)用電負(fù)荷減少在控制范圍內(nèi)時(shí)，電能表自動(dòng)合閘，方便用戶使用。

安全保護(hù)功能在IC卡和電能表內(nèi)都有密鑰安全認(rèn)證，保證用電安全。

電量凍結(jié)功能售電管理系統(tǒng)可以對(duì)電能表下發(fā)電量凍結(jié)指令，并將凍結(jié)電量數(shù)據(jù)抄回進(jìn)行線損統(tǒng)計(jì)和電費(fèi)核算。

2.2.6 LoRa通信模塊

如前所述，本文對(duì)LoRa通信模塊進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，該模塊用于將電能表中的數(shù)據(jù)發(fā)送給售電管理系統(tǒng)，同時(shí)接收售電管理系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的遠(yuǎn)程控制。

3 電能表通信測(cè)試

3.1 通信距離測(cè)試

通信距離測(cè)試，是智能抄表的一個(gè)重要的指標(biāo)，為了顯示本文提出的基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費(fèi)電能表的通信能力，本次選取了750 m、1200 m、3400 m、4500 m和6000 m五個(gè)不同通信距離的場(chǎng)景進(jìn)行通信距離測(cè)試。通信距離測(cè)試示意圖如圖8所示。

進(jìn)行通信距離測(cè)試時(shí)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)中心頻率均設(shè)置為433MHz，帶寬BW設(shè)置為125 kHz，傳輸速率Rb為3125 bps。由于LoRa調(diào)制方式本身具有的低速率特性，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)連續(xù)發(fā)包數(shù)量設(shè)置為100個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)包為64個(gè)字節(jié)長度，發(fā)射功率設(shè)置為20 dBm。接收端通過串口線將接收節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和當(dāng)前接收的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）顯示出來。在擴(kuò)頻因子分別為SF8和SF12時(shí)實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖8 通信距離整體測(cè)試示意圖Fig.8 Communication distance overall test diagram

表2 通信距離測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Communication distance test result statistics

由表2可知，在發(fā)射功率為20dBm時(shí)，電能表能保證3400 m范圍內(nèi)無丟包通信，6000 m范圍內(nèi)丟包率小于10%，其丟包率在一定的允許范圍內(nèi)。此外，在測(cè)試距離為6000 m時(shí)無線通信模塊RSSI的值可達(dá)-122 dBm，進(jìn)一步驗(yàn)證了其較高的抗干擾能力。

3.2 穿透性能測(cè)試

由于電能表大多都安裝在住房里，這些建筑物的遮擋會(huì)對(duì)無線通信造成較大的干擾，為了顯示電能表通信的抗干擾能力，需要進(jìn)行穿透性能測(cè)試。本次選取寬敞的辦公寫字樓作為測(cè)試場(chǎng)景，分別對(duì)穿墻性能和穿樓層性能進(jìn)行測(cè)試。

3.2.1 穿墻性能測(cè)試

如圖9所示，為電能表通信穿墻性能測(cè)試示意圖，共8個(gè)房間，在房間1放置的電能表發(fā)射（Tx）信號(hào)，在2～8房間分別放置接收信號(hào)的模塊（Rx1～Rx7）。發(fā)射參數(shù)設(shè)置為發(fā)射中心頻率433 MHz，發(fā)射功率為20 dBm，帶寬BW125 kHz，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖9 穿墻性能測(cè)試示意圖Fig.9 Through-wall performance test schematic

表3 穿墻性能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Through-wall performance test results

由測(cè)試結(jié)果可知，電能表可以實(shí)現(xiàn)直線方向3堵墻無丟包通信，4堵墻時(shí)開始出現(xiàn)丟包，7堵墻時(shí)丟包率小于10%，其丟包率在一定的允許范圍內(nèi)。

3.2.2 穿樓層性能測(cè)試

穿樓層性能測(cè)試選取9個(gè)樓層，在第5樓層放置電能表發(fā)射（Tx）信號(hào)，在1～4樓層分別放置接收模塊（Rx4，Rx3，Rx2，Rx1），在 6～9 樓層分別放置接收模塊（Rx5～Rx8）。穿樓層性能測(cè)試示意圖如圖10所示，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖10 穿樓層性能測(cè)試示意圖Fig.10 Through-floor performance test schematic

表4 穿樓層性能測(cè)試結(jié)果Tab.4 Through-floor performance test results

由測(cè)試結(jié)果可知，該電能表基本上可以實(shí)現(xiàn)3層樓無丟包通信，4層樓開始出現(xiàn)丟包，5層樓內(nèi)可實(shí)現(xiàn)丟包率小于10%，其丟包率在一定的允許范圍內(nèi)。進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收端位于電能表的下方樓層時(shí)通信性能優(yōu)于同穿樓層數(shù)的上方接收端。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費(fèi)電能表，以滿足智能抄表對(duì)低成本、強(qiáng)抗干擾能力和遠(yuǎn)距離通信的需求。文中首先重點(diǎn)介紹了電能表的LoRa通信模塊設(shè)計(jì)，對(duì)其中的射頻電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析；然后給出了電能表總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)電能表各個(gè)模塊的功能進(jìn)行了介紹；最后進(jìn)行了電能表通信測(cè)試，包括通信距離測(cè)試、穿墻性能測(cè)試和穿樓層性能測(cè)試。

從測(cè)試結(jié)果可知，電能表能保證6000 m范圍內(nèi)的有效通信；在穿過7堵墻或5層樓后仍然保持較高的通信成功率。測(cè)試結(jié)果表明，電能表能很好的滿足智能抄表對(duì)強(qiáng)抗干擾能力以及遠(yuǎn)距離通信的需求，再加上LoRa工作在全球免授權(quán)頻段，部署與運(yùn)營維護(hù)成本低，所以能很好地滿足低成本的需求。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，這種基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費(fèi)電能表，應(yīng)用前景廣闊。