基于LoRa技術(shù)的智能共享插座

胡治輝,劉文洲,姚曉巖

(1.長春金融高等?？茖W校后勤處,長春130012; 2.長春工程學院電氣與信息工程學院,長春130012)

0 引言

隨著環(huán)保理念的深入和“雙碳”戰(zhàn)略的提出,新能源電車行業(yè)迎來大發(fā)展,充電需求激增。目前國內(nèi)普通用戶的中低端四輪或兩輪電動車保有量巨大,有插座即可為車充電,但僅限于家中或工作單位,現(xiàn)有公共充電樁不適用于這類用戶,此類服務(wù)市場尚處于空白狀態(tài)。相比傳統(tǒng)充電樁,智能共享插座內(nèi)置計量控制模塊,借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入到云平臺[1],用戶通過APP掃插座碼完成認證和使用,從而實現(xiàn)用電監(jiān)控和掃碼共享功能。智能共享插座成本低、易使用,適合在工作單位、自家門前和公共場所等停車區(qū)投放。插座擁有者可監(jiān)控用電狀態(tài),也可在閑置時與他人共享。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通訊方式分為有線和無線兩種,無線方式又分為短距離和長距離通訊。目前使用較廣泛的短距離無線傳輸方式有無線局域網(wǎng)802.11(WiFi)、藍牙(BlueTooth)、ZigBee等,長距離無線傳輸方式有LoRa技術(shù)和NB-IOT技術(shù)?？紤]通訊距離、帶寬、功耗、成本等因素,LoRa技術(shù)被選作智能共享插座的無線通訊方式。LoRa(Long Range Radio)遠距離無線傳輸方式是一種線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù),在低功耗、遠距離傳輸、抗干擾性能方面具有出色表現(xiàn)[2]。它誕生于法國,發(fā)展于美國,目前在國內(nèi)外通信界擁有一席之地,技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈體系相當成熟,未來應(yīng)用前景和發(fā)展空間廣闊。

1 智能共享插座系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能共享插座的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]包括插座、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器、用戶APP 4個部分。插座的內(nèi)部由微處理器、電能計量控制模塊、電源模塊、LoRa模塊構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部由微處理器、電源模塊、LoRa模塊、以太網(wǎng)模塊、顯示模塊以及按鍵構(gòu)成。云服務(wù)器部署數(shù)據(jù)庫,網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。智能共享插座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能共享插座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出,當用戶通過手機APP掃描共享插座二維碼進行認證和取電時,手機APP端進行命令參數(shù)下發(fā)和插座端的狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳,通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器建立傳輸處理通道。插座內(nèi)置的電能計量模塊、溫度模塊、繼電器模塊、控制芯片、無線通訊模塊共同完成來自云端的用電計量、狀態(tài)監(jiān)控和通斷控制等功能。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)則扮演信息轉(zhuǎn)發(fā)中樞的角色,服務(wù)器提供數(shù)據(jù)庫部署環(huán)境和數(shù)據(jù)存儲、處理功能。

1.2 計量與控制

插座的計量控制部分,單相負載采用合力為HLW8032的電能計量芯片,其計量精度高、性能穩(wěn)定可靠;三相負載采用銳能微RN7302電能計量芯片,是一種多功能高精度三相計量專用芯片,能提供全套基波參數(shù)及諧波有效值。本次設(shè)計針對單相負載,采用HLW8032芯片。

1.3 通訊與組網(wǎng)

插座的通訊與組網(wǎng)部分,插座和網(wǎng)關(guān)之間采用SX1278的LoRa無線方式,選用安信可Ra-02模塊。網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間采用以太網(wǎng)方式,選用W5500以太網(wǎng)模塊。

1.4 服務(wù)器與APP

插座的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)上傳到云服務(wù)器進行存儲、處理、查詢和展示,用戶通過軟件APP客戶端與插座進行交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能共享插座系統(tǒng)硬件包括插座和網(wǎng)關(guān),插座內(nèi)部核心單元由電源、電能計量控制、LoRa及微處理器等模塊構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部核心單元由電源、LoRa、以太網(wǎng)、顯示屏、按鍵、微處理器等模塊構(gòu)成。

2.1 電能計量與控制模塊

插座的電能計量使用HLW8032芯片[4],CMOS制造工藝,8PIN的SOP封裝,供電電壓為5 V。內(nèi)部集成1個高精度電能計量內(nèi)核,2個∑-Δ型ADC。內(nèi)置3.579 MHz晶振、電壓參考源和電源監(jiān)控電路。有功功率測量誤差為0.2%、電壓和電流有效值的測量誤差為0.5%。數(shù)據(jù)通訊是UART口異步串行通訊方式,頻率4 800 bit/s。HLW8032引腳功能表見表1。

表1 電能計量芯片HLW8032引腳功能表

有效電壓U的測量信號Vp通過電流型電壓互感器隔離采樣電路獲得,計算見式(1);有效電流I的測量信號Vi通過電流互感器隔離采樣電路獲得,計算見式(2)。

Vp=(U/R8)×n×R7,

(1)

Vi=R2×I/n,

(2)

MU=(R8/n2)/R7,

(3)

N1=1/(R2/n1×1 000),

(4)

式中:電流互感器T1變比n1=1 000∶1;電壓互感器T2變比n2=1∶1;MU為電壓系數(shù);N1為電流系數(shù)。經(jīng)式(3)～(4)計算,電能計量電路電壓系數(shù)為2,電流系數(shù)為1。測量信號Vp由引腳CIP和CIN輸入HLW8032;測量信號Vi由引腳VIP輸入HLW8032,運算后把數(shù)據(jù)寄存器中的電能數(shù)據(jù)以UART通訊方式發(fā)給微處理器。

電能計量與控制電路如圖2所示。插座負載的接通和斷開由繼電器模塊控制,控制方式是微處理器I/O引腳輸出電平信號,經(jīng)S8050三極管開關(guān)電路驅(qū)動繼電器線圈,進而控制繼電器的吸合狀態(tài)。若是三相負載電路,繼電器驅(qū)動一個三相交流接觸器實現(xiàn)三相負載電路的分合閘。

圖2 電能計量與控制電路

控制模塊即微處理器及附屬電路,網(wǎng)關(guān)和插座的控制模塊均采用中等容量增強型微處理器——意法半導(dǎo)體STM32F103C8T6芯片,該芯片是32位基于ARM核心的微控制器,工作電壓3.3 V,主頻72 MHz,內(nèi)部Flash容量64 kB,內(nèi)部SRAM容量20 kB,具有3個USART接口、2個SPI接口、2個I2C接口、1個USB接口、37個普通I/O口,處理器STM32F103C8T6的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

圖3 處理器STM32F103C8T6電路原理圖

2.2 通訊模塊

插座和網(wǎng)關(guān)之間采用LoRa無線通訊模塊,網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間采用有線以太網(wǎng)模塊。

2.2.1 無線LoRa

LoRa模塊采用安信可Ra-02型號,基于SX1278芯片方案設(shè)計開發(fā),該LoRa模塊供電電壓VDD=3.3 V,FXOSC=32 MHz,工作頻段在410～525 MHz,不帶前置濾波的2FSK調(diào)制,FDA=5 kHz,比特率=4.8 kb/s,接到500 Ω的匹配阻抗,Rx與Tx共享匹配鏈路。支持FSK、GFSK、MSK、GMSK、LoRaTM及OOK調(diào)制方式,低至-140 dBm的超高接收靈敏度,擁有卓越的抗阻塞特性,支持前導(dǎo)碼檢測,支持半雙工SPI通訊,帶有CRC、高達256字節(jié)的數(shù)據(jù)包引擎,采用小體積雙列郵票孔貼片封裝。該模塊有16個引腳,其模塊引腳功能見表2。

表2 LoRa模塊引腳功能表

安信可Ra-02需要焊接天線使用,為了使天線達到最優(yōu)效果,天線的裝配位置要遠離金屬件和高頻器件。模塊供電電壓3.3 V,電流峰值一般≥200 mA。該LoRa模塊的設(shè)定工作頻率為470 MHz,最大發(fā)射功率17 dBm(50 mW),帶寬125 kHz,擴頻因子12,接收靈敏度-128 dBm。

LoRa模塊與STM32微處理器的通訊采用SPI總線方式,電路原理圖如圖4所示。

圖4 LoRa模塊通訊電路原理圖

2.2.2 有線以太網(wǎng)

網(wǎng)關(guān)的有線以太網(wǎng)通訊采用W5500芯片,W5500芯片采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器,具有完整的TCP/IP協(xié)議棧和10/100 Mbps以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層(MAC)和物理層(PHY),其全硬件的TCP/IP協(xié)議棧全程支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議,嵌入式系統(tǒng)通過W5500芯片的SPI(串行外設(shè)接口)接口即可連接到網(wǎng)絡(luò)[5]。

SPI(串行外設(shè)接口)提供了一個能輕松與外部MCU連接的接口。W5500支持高達80 MHz的SPI通訊速率。為了降低系統(tǒng)功率的消耗,W5500提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒和休眠模式。W5500收到原始以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包形式的magic packet時將被喚醒。

W5500與處理器的連接方式如圖5所示。根據(jù)其工作模式(可變數(shù)據(jù)長度模式/固定數(shù)據(jù)長度模式)。其中圖5(a)為可變數(shù)據(jù)長度工作模式,該模式下W5500可以與其他SPI設(shè)備共用SPI接口,但是一旦將SPI接口指定給W5500后,則不能再與其他SPI設(shè)備共用。而圖5(b)為固定數(shù)據(jù)長度工作模式,SPI接口將指定給W5500,不能與其他SPI設(shè)備共享。

(a)可變數(shù)據(jù)長度工作模式

W5500以太網(wǎng)模塊與STM32處理器通訊采用SPI連接方式,選擇可變數(shù)據(jù)長度工作模式,其電路原理圖如圖6所示。

2.3 插座與網(wǎng)關(guān)硬件電路

在插座和網(wǎng)關(guān)的整體硬件電路設(shè)計中,兩者均以STM32F103C8T6處理器為核心,除了LoRa電路單元、電能計量控制單元和W5500以太網(wǎng)電路單元外,外設(shè)還包括2個晶振電路(1個32.768 kHz晶振和1個8 MHz晶振),1個濾波電路(4個0.1 μF電容),1個SWD編程調(diào)試接口,1個復(fù)位電路,1個功能按鍵電路,1個DS18B20溫度傳感器,1個5 V模塊電源電路。插座與網(wǎng)關(guān)硬件實物圖如圖7所示。

圖7 插座與網(wǎng)關(guān)硬件實物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是智能共享插座數(shù)據(jù)通訊的處理中心,承上啟下地收發(fā)處理數(shù)據(jù),實時性較強,對邏輯設(shè)計的時序關(guān)系比較依賴[3]。網(wǎng)關(guān)主程序初始化后,在主程序執(zhí)行過程中,會根據(jù)分支程序的狀態(tài)標志觸發(fā)情況進行分支程序的中斷處理,以保持程序高效執(zhí)行。LoRa模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、按鍵模塊等外圍設(shè)備的事件運行時,通過微處理器的硬件中斷觸發(fā)將外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)通過串口硬件中斷服務(wù)程序,從接收寄存器讀取存入內(nèi)部緩存,產(chǎn)生接收標志位,然后程序退出中斷服務(wù)程序,繼續(xù)執(zhí)行主程序。以LoRa模塊為例,網(wǎng)關(guān)收到插座發(fā)送的數(shù)據(jù),產(chǎn)生中斷請求RX IRQ,并把CRC校驗無誤的響應(yīng)數(shù)據(jù)寫入LoRa模塊的FIFO中。微處理器從FIFO讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)并打包處理,然后向W5500發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。隨后以太網(wǎng)模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完成后系統(tǒng)主程序進入下一次循環(huán)。網(wǎng)關(guān)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

3.2 插座軟件設(shè)計

插座和網(wǎng)關(guān)按照主動輪詢和被動時間片結(jié)合的通訊交互策略進行數(shù)據(jù)傳輸,以避免各插座節(jié)點在與網(wǎng)關(guān)通訊時產(chǎn)生沖突。在網(wǎng)關(guān)收到來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)指令期間,采用主動輪詢方式通訊,網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)指令定向轉(zhuǎn)發(fā)給目標插座,當主程序執(zhí)行循環(huán)數(shù)次結(jié)束,未收到來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)指令時,采用被動時間片方式通訊,網(wǎng)關(guān)與插座同步時間,插座在自己時間片內(nèi)與網(wǎng)關(guān)通訊交互[6]。

插座主程序流程圖如圖9所示。由圖9可知,插座LoRa模塊設(shè)定為連續(xù)接收模式,若在連續(xù)Rx模式下產(chǎn)生RxTimeout中斷,程序需要在設(shè)備保持等待有效前導(dǎo)碼同時,清除中斷信號使設(shè)備進入待機模式。程序收到有效數(shù)據(jù)包后,微處理器應(yīng)在下一個RxDone信號前讀取對應(yīng)寄存器,并保證微處理器從FIFO提取有效數(shù)據(jù)期間,相應(yīng)的寄存器沒有觸發(fā)中斷信號,否則直接跳過下一步驟,丟棄當前數(shù)據(jù)包。插座有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時,LoRa模塊先使Tx模塊初始化,這是因為FIFO只能在LoRa模塊待機模式下寫入。數(shù)據(jù)在被寫入FIFO時,程序必須把FIFO SPI指針FifoAddrPtr指向TX數(shù)據(jù)起始地址FifoTxPtrBase,并把LoRa有效數(shù)據(jù)長度為PayloadLength的字節(jié)寫入FIFO(RegFifo)。然后啟用數(shù)據(jù)發(fā)送請求,等待TxDown發(fā)送完成中斷后,LoRa恢復(fù)至待機模式。

圖9 插座主程序流程圖

電能數(shù)據(jù)經(jīng)HLW8032芯片PF引腳、TX引腳發(fā)送給微處理器。處理器按式(5)～(12)的計算方法處理數(shù)據(jù):

根據(jù)式(5)～(12)計算相應(yīng)的電能測量、計量數(shù)據(jù)。

U=VVP_REG/VV_REG×MU,

(5)

I=CCP_REG/CC_REG×NI,

(6)

P=PPP_REG/PP_REG×MU×NI,

(7)

S=U×I,

(8)

cosφ=P/S。

(9)

用電量根據(jù)PF寄存器脈沖數(shù)據(jù)計算得出,如果PF寄存器里脈沖數(shù)據(jù)溢出,數(shù)據(jù)更新寄存器Data Updata REG的bit7會取反,PF寄存器PF_REG同時清零,故脈沖信號數(shù)量可表示為

PPFcnt=K×65 536+PPF_REG。

(10)

那么1度電對應(yīng)的脈沖數(shù)量可表示為:

(11)

當PPFcnt個數(shù)達到1度電脈沖數(shù)量時,代表芯片累計統(tǒng)計1度電量(kW·h),即:

W=(K×65 536+PPF_REG)/X,

(12)

式中:P為有功功率;S為視在功率;cosφ為功率因數(shù);X為1度電脈沖數(shù);W為當前用電量;K為數(shù)據(jù)更新寄存器的bit7取反次數(shù);VVP_REG為電壓參數(shù)寄存器值;VV_REG為電壓寄存器值;CCP_REG為電流參數(shù)寄存器值;CC_REG為電流寄存器值;PPP_REG為功率參數(shù)寄存器值;PP_REG為功率寄存器值;PPF_REG為PF寄存器記錄脈沖數(shù)量值。

當微處理器查詢當前電能數(shù)據(jù)時,主函數(shù)調(diào)用Data_Processing()電能數(shù)據(jù)處理函數(shù)。當微處理器執(zhí)行繼電器動作指令時,主函數(shù)調(diào)用程void DSW_init(void)繼電器控制函數(shù)。

3.2.1 電能數(shù)據(jù)處理函數(shù)

void Data_Processing()

{

u32

VP_REG=0,V_REG=0,CP_REG=0,C_REG=0,PP_REG=0,P_REG=0,PF_COUNT=0,PF=0;

double V=0,C=0,P=0,E_con=0;

if(USART2_RX_BUF[0]!=0xaa)

{

VP_REG=USART2_RX_BUF[2]*65536+USART2_RX_BUF[3]*256+USART2_RX_BUF[4];

V_REG=USART2_RX_BUF[5]*65536+USART2_RX_BUF[6]*256+USART2_RX_BUF[7];

V=(VP_REG/V_REG)*1.88;

printf("電壓值:%0.2fV;",V);

CP_REG=USART2_RX_BUF[8]*65536+USART2_RX_BUF[9]*256+USART2_RX_BUF[10];

C_REG=USART2_RX_BUF[11]*65536+USART2_RX_BUF[12]*256+USART2_RX_BUF[13];

C=((CP_REG*100)/C_REG)/100.0;

printf("電流值:%0.3fA;",C);

if(USART2_RX_BUF[0]>0xf0)

{

printf("未接用電設(shè)備!");

}

else

{

PP_REG=USART2_RX_BUF[14]*65536+USART2_RX_BUF[15]*256+USART2_RX_BUF[16];

P_REG=USART2_RX_BUF[17]*65536+USART2_RX_BUF[18]*256+USART2_RX_BUF[19];

P=(PP_REG/P_REG)*1.88*1;

printf("有效功率:%0.2fW;",P);

}

if((USART2_RX_BUF[20]&0x80)!=old_reg)

{

k++;

old_reg=USART2_RX_BUF[20]&0x80;

}

PF=(k*65536)+(USART2_RX_BUF[21]*256)+USART2_RX_BUF[22];

PF_COUNT=((100000*3600)/(PP_REG*1.88))*10000;

E_con=((PF*10000)/PF_COUNT)/10000.0;

printf("已用電量:%0.4f° ",E_con);

}

else

{

printf("data error ");

}

}

3.2.2 繼電器控制程序

#ifndef __DSW_H //聲明

#define __DSW_H

#include "stm32f1xx.h"

#define DSW_PIN GPIO_PA2

#define DSW_PORT GPIOD

#define DSW1_L GPIO_WriteLow(DSW1_PORT,DSW1_PIN);//定義DSW1_L,拉低PA2

#define DSW1_H GPIO_WriteHigh(DSW1_PORT,DSW1_PIN);//定義DSW1_H,拉高PA2

#define DSW_R GPIO_WriteReverse(DSW1_PORT,DSW1_PIN);//翻轉(zhuǎn)

void DSW_init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PA2;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

//DSW ON PA2

void DSW_ON(void)

{

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_PA2);

}

//DSW OFF PA2

void DSW_OFF(void)

{

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_PA2);

}

3.3 插座APP設(shè)計

智能共享插座在手機端開發(fā)APP軟件,功能主要包括用戶登錄、添加插座、用電管理、數(shù)據(jù)查詢等內(nèi)容。用戶點擊APP進入登錄界面,輸入用戶名admin,密碼admin,即可登錄到客戶端。用戶點擊“插座”選項欄,選擇掃一掃添加新的插座,或者使用歷史插座。添加完插座后,跳轉(zhuǎn)到“詳情”頁,用戶可以看到插座編號,插座電壓信息。當用戶按插座開關(guān)按鍵,按鍵由紅變綠,電動車開始充電,此時增加顯示電流、功率、功率因數(shù)、頻率、累計電能以及累計費用等信息。用戶完成充電后按動按鍵,按鍵由綠變紅,停止充電和計費。智能共享插座APP軟件界面如圖10所示。

圖10 智能共享插座APP軟件界面

3.4 服務(wù)器通訊設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的W5500以太網(wǎng)模塊與服務(wù)器之間通訊通過Socket協(xié)議實現(xiàn),首先建立連接,然后收發(fā)數(shù)據(jù)。

1)服務(wù)器端開始監(jiān)聽;

2)客戶端Connect()連接服務(wù)器端;

3)服務(wù)器端Accept()產(chǎn)生新的Socket,一次連接完成,此時服務(wù)器端與客戶端就可以使用Send和Receive發(fā)送和接收數(shù)據(jù);

4)一端發(fā)送數(shù)據(jù)時,在包頭(也可以包尾)加上一個特殊字符(比如0和1),另一端先判斷包的第1個字符是什么,比如0就是字符串,1就是文件,然后讀取數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試內(nèi)容包括網(wǎng)關(guān)和插座的軟硬件能否正常運行,服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)插座能否建立通訊,手機APP能否通過掃碼添加插座并進行操作交互,以及LoRa通訊的可靠程度。本文重點研究了基于LoRa技術(shù)的智能共享插座,此處以網(wǎng)關(guān)和插座之間的LoRa通訊測試[6]結(jié)果為例進行分析。

1)通訊可靠性測試:LoRa通訊天線選用增益6dBi的pcb天線,將插座接上充電負載,網(wǎng)關(guān)用液晶和按鍵模擬收發(fā)數(shù)據(jù),設(shè)定每隔1 s完成1個節(jié)點的時間同步和數(shù)據(jù)通訊。測試者手持網(wǎng)關(guān),調(diào)整網(wǎng)關(guān)與節(jié)點的距離,根據(jù)有無建筑物阻擋,每個距離分別收發(fā)兩組數(shù)據(jù),每組500個。LoRa通訊測試距離如圖11所示,記錄LoRa通訊的丟包率測試見表3。

圖11 LoRa通訊測試距離

如表3所示,半徑1 000 m以內(nèi)無建筑物阻擋時的通訊丟包率最高為0.8%,有建筑物阻擋的通訊丟包率最高為3.4%,可以滿足插座局部組網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊需求。當距離增加到1 500 m且有建筑物阻擋情況下,通訊丟包率達到了35.6%,而在無建筑物阻擋情況下通訊丟包率保持在2%。

表3 LoRa通訊丟包率測試

無阻擋和有阻擋情況下的距離與信號強度RSSI波動曲線如圖12所示,若要在城市中增加通訊距離,保證信號強度穩(wěn)定,可采用高增益天線,而在郊區(qū),本設(shè)計能夠滿足通訊需求。

(a)無阻擋情況下

2)通訊穩(wěn)定性測試:網(wǎng)關(guān)的液晶屏幕每次與節(jié)點同步時,會顯示該節(jié)點的信號接收強度指示,即RRSSI值。在前述測試條件下,每個距離分別記錄有建筑物阻擋和無建筑物阻擋的2組RRSSI值,每組30個。經(jīng)過計算每組數(shù)據(jù)的均值和標準差,LoRa通訊穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖13所示。

文中的LoRa模塊接收靈敏度為-128 dBm,實際測試接收強度指示RRSSI值最低為-126 dBm,隨著距離的增加,網(wǎng)關(guān)的信號接收強度指示RRSSI逐漸下降,圖13中RRSSI均值反映了距離與信號接收強度的關(guān)系,而標準差反映了距離變化對信號接收強度的波動影響,距離一定時,建筑物的阻擋會影響通訊質(zhì)量。液晶顯示的電能指示數(shù)x與被測實際值x0之間的差值Δx為節(jié)點測量的絕對誤差,引用誤差Eni=(Δx/x0)×100%,則模塊準確度等級為Δxmax/xmax×100%,測算10組差值Δx,測得最大引用誤差[7]為1.2%。

5 結(jié)語

借助LoRa無線通訊技術(shù),以低成本和高通訊可靠性實現(xiàn)智能共享插座功能。插座采用了微處理器、LoRa、以太網(wǎng)芯片、電能計量與控制等模塊,完成了硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計、裝置測試等任務(wù),測試了裝置通訊穩(wěn)定性與可靠性,測試了電能計量精度,電能測量精度達到2.0級,符合取電用戶電能計量精度的要求。測試結(jié)果表明,隨著通訊距離的增加,以及建筑物的阻擋影響,插座與網(wǎng)關(guān)的通訊可靠性、穩(wěn)定性有所改變,但依然可以滿足規(guī)范要求。此共享插座在投入使用時可采取先進的加密系統(tǒng)方案[8],保證插座和網(wǎng)關(guān)之間的LoRa無線通訊安全。