基于LoRa技术的新型多功能电能表

2017年第5期 信息通信2017 (总第 173 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No173)

基于LoRa技术的新型多功能电能表

赵四海

(宁夏隆基宁光仪表股份有限公司）

摘要:为了解决原始抄表方法工作效率低下，准确性不能得到保证，浪费大量人力等问题，同时针对基于ZigBee、WiFi等技术的无线抄表方案存在通信距离短、设备繁琐、网络路由复杂、抗干扰能力弱等缺陷，通过对LoRa无 线标准协议的研究和对当前无线抄表系统实现过程的分析，构建了一种基于LoRa无线通讯技术的智能电表。

该电表主要是将M C U系统和LoRa无线射频芯片相结合，包括控制单元、计量单元、通信单元、电源单元等部 分，完成对电表数据的采集和上传。通过对其在无线抄表系统中测试，该电表接收和发送数据稳定可靠，具有很 强的实用性。

关键词:无线抄表;LoRa;智能电表;射频(RF)

中图分类号:TM933.4 文献标识码:A文章编号：1673-1131(2017)05-0288-02

1LoRa技术分析

LoRa是一种专用于无线电扩频调制与解调的技术，采用 1GHz以下的通信载波，实现了超低功耗，超远距离的通讯。该 技术利用了先进的扩频调制技术和编码方案，通过伪随机码 序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱，增加了 链路预算和更好的抗干扰性能[2]，高达157dB的链路预算使其 在密度较低区域的通信距离达15k m以上。LoRa采用自适性 数据速率策略，使其接收电流低达10mA,休眠电流小于 200nA。其次LoRa技术本身拥有超高的接收灵敏度和超强信 噪比。

2电能表总体设计

文中设计的电能表总体结构主要由控制单元、计量单元、通信单元、电源单元四部分构成。其中控制单元是电能表系 统的大脑，实现系统中各个部件协调控制、人机交互、多费率 控制等等重要的功能。计量单元的设计是电能表计量准确性 的关键部分，是电能表计量功能的体现。通信单元由两个通 讯通道组成，是电能表采集终端和集抄中心通信的桥梁。电源单元提供系统运行的能量。四个单元相互协作，在实现电 能表基本功能之外，还提供其他人性化功能。

3电能表硬件设计

3.1控制单元

电表M C U控制单元使用意法半导体（ST)公司的S TM32F103VDT6 芯片’该芯片基于 ARM32 位的 CortexTM-M3 内核,72MHz工作频率，内置512K B闪存以及64KBSRAM,性能强劲，实时性好，代码灵活，可以轻松满足电力无线集抄系统 所需的空间。同时该芯片睡眠、停止、待机三种低功耗工作模 式，方便了系统低功耗设计，并且具有优越的计算性能和中断 响应系统。控制单元是电/能表系统的控制器，起着决定性的 作用。

M C U按照预先设定的控制程序逐次通过RS485通信网 络计算得到各个计量单元采集到的各户电量数据，实时累加 存储，同时控制SX1278射频模块将数据定时上传至集中器，实现无线抄表；当控制单元接收到上端集中器下传的欠费断 电信号，就立即通过数据输出控制器控制相应用户的继电器，切断电源供应。同样,当控制单元收到缴费、实时抄送等信号 时，会进行供电、实时抄表上报等行为。

3.2计量单元

电能计量芯片的选择是电能计量是否准确的最关键因数,系统选用美国A D I公司生产的高精度ADE7755单相电能 计量芯片。ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求，在500: 1的动态范围内误差小于0.1%,片内设有电源监控电路，带有防 潜动功能，同时能为外部电路提供基准的2.5V±8%片内基 准。ADE7755采用电压和电流直接相乘的方法得到瞬时有 功功率，并将电量以与脾时有功功率成正比的脉冲输出形式 提供给M CU,单片机只需通过计数器自动记录一定时间间 隔内传送的脉冲数，然后与功率/频率转换参数相乘即可得 到这一段时间内的用电量》ADE7755内部除了 A D C、滤波 器和乘法器外都采用数字电路，可以有效的消除尖脉冲等干 扰信号，使其在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和 稳定性。

3.3通信单元

在通讯单元中，电能表有两个通信通道，一个是RS485 通信通道，另一个是SX1278射频模块通信通道。由于RS485 和LoRa通信具有不确定性，因此采用中断方式处理,每个电 能表均有各自的地址，通信链路的建立和解除由主站控制。RS485串行通信协议支持的传输距离较远，抗干扰能力强, 数据传输的速率高，设计中与计量模块组成电量数据采集网 络；文中采用Semtech公司推出的具有LoRa扩频技术的高 灵敏度的SX1278芯片，该芯片采用直接序列扩频调制，具有 很强的抗干扰性，工作频率433~510MHz,发射功率达到 20dBm,发射电流为120mA,接收电流为13mA，保证超低功 耗。方案中SX1278射频模块将采集到的电能数据进行上 传，同时接收上端的报文命令。系统中采用两种通讯方式,两个通讯信道之间如何进行判断和切换是一个问题,为此设 计了一个通讯信道切换电路，来实现当前通讯信道的判断和 切换。

4智能电表软件设计

本设计采用uC/OS-I I I实时操作系统来进行智能电表各 个任务的调度与管理,uC/OS-III是一个可扩展的，可固化的, 抢占式的实时内核,它管理的任务个数不受限制，保证了多个 任务在uC/OS-I I I系统上并发执行。电表系统的软件设计主 要包括主程序和LoRa通信程序设计。

4.1主程序算法分析

在主程序中，为了使相关事务得到及时处理，程序中各个 分支程序的执行都是依靠标志位来进行状态，进而不需要在 分支程序里等待，保证事件响应的时效性。系统上电复位后,

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信息通信

对单片机内部定时/计数器、通用同步/异步串行接收/发送器 和相关寄存器进行设定，对存储器、液晶显示、I/O端口等进行 初始化。启动uc/o s-in之后，程序首先处理每次主循环的事 件，之后依次査询是否有UART数据和LoRa数据，一旦有数 据发送进来，就会由硬件产生一个中断,中断程序进行简单的 数据收集，并做好标志，等到主程序到了这个分支再去进一步 处理。

4.2 LoRa无线模块软件设计

LoRa模块是系统设计中的重要部分，电能表终端和集 中器之间通过LoRa无线模块，以射频为媒介进行数据和 命令的传输，是整个系统中必不可缺的设备。在应用中，针 对不同的功能，电能表终端和集中器需要采用两种不同的 LoRa无线模块软件，在此只介绍LoRa终端无线模块软件 设计。

第一部分，射频进程处理程序。LoRa终端无线模块平 时工作在空闲状态，使其保持较低的功耗，当无线模块被唤 醒后，系统启动射频进程处理，査询射频模块的状态。当射 频模块检测到LoRa信号时，无线模块从空闲状态切换到 射频接收模式，接收过程中，一旦检测到地址与匹配的M A C地址不符，就立即结束该射频进程，再次进入休眠状 态。如果检测到地址相匹配，模块将继续等待接收，直至接 收完毕。

第二部分，本地串口处理及远端无线射频处理程序，主要 包括来自本地M CU数据和远程端集中器数据的处理。终端 电表接收本地数据和集中器下发的数据后，首先对数据进行 CRC16校验，完成数据的解析，确保数据准确无误，其次根据 报文中帧命令执行相应的操作。本地命令直接回复，然后直 接进入休眠状态。当收远端数据时，系统先唤醒电表，然后通 过串口把命令发送给终端电表。

5测试结果与分析

5.1测试系统搭建

集中器是物联网中的中心连接点设备，在整个网络中 起承上启下的作用，是系统稳定运行的关键部件。集中器 上行与集抄中心通过蜂窝无线模块进行通信，下行与电能 表终端采用LoRa无线模块通信。由于集中器在系统中扮 演重要的角色，几乎所有的功能都要依赖它来实现,因此专 门设计了 RS232接口，为设备维护，应急管理提供方便的 接口。

文中设计的测试系统主要包含三层结构，第一层结构为 电能表终端，用于电能数据采集及任务事件执行;第二层结构 为集中器，用于电能表终端和集抄中心的通信;第三层结构为 集抄中心，用于整个系统的远程监控及提供多种服务。电能 表终端和集中器之间通过彼此的LoRa无线模块进行通信，集 中器和集抄中心之间通过公用蜂窝网络进行通信。电表将采 集到的电能数据传送到集中器，集中器通过公用蜂窝网络，将 数据上传至管理中心，集抄管理中心通过对采集数据处理，智 能分析每个接入电表的状态，并转换成有价值的信息，供授权 用户访问使用。同时集中器还可以将集抄中心的命令下发至 LoRa网络内的各个电能表终端。

文中提供三种电能数据采集方式，以针对突发事件，保 证能够及时进行数据采集和指令下达。第一种是电能表终 端定期收集数据保存在存储器中，并定时上传至集抄中心；第二种是由集抄中心下发指令，命令电能表终端随时进行

赵四海:基于LoRa技术的新型多功能电能表数据上传。第三种支持手持设备连接集中器直接进行数据 采集。

5.2集中器和电表最佳传输距离测试

理论上，LoRa通信距离可达15km以上，但具体的通信距 离在很大程度上取决于通信节点所在的环境。我们以集中器 和电表之间的通信网络更稳定为目标，通过实际测试来确定 最佳通信距离。

通信环境为楼宇内，天线发射功率20dBm、射频中心频率 为470MHz，采用两块电表，电表1置于10楼电梯井附近，电 表2置于10楼房间内，PC通过RS232接口和集中器连接，利 用串口调试工具软件给电表下发数据包100个，在各楼层电 梯井附近进行测试，测试结果如表1。由结果可以看出，电表 和集中器在穿透三层楼后仍可保证100%通信，环境造成的影 响小，为最佳通信距离。

表1集中器和电表有效传输距离测试结果

集中器所在楼S电表1电表2

8100%100%

7100%100%

6100%70%

5100%20%

480%0%

330%0%

5.3电能表电量数据采集测试

测试过程中采用了两块电能表，每块电能表中使用两个 计量模块，即每块电能表采集两位用户电能数据,一个集中 器,一台PC，一块蜂窝无线模块。根据5.2节中表1的测试 结果，将电表1置于7楼，电表2置于1楼，集中器置于4 楼，P C通过蜂窝无线模块实现与集中器连接。系统搭建完 成后,集抄中心通过串口工具下发数据采集指令，指令数据 由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信 息校验码及帧结束符7个域组成。试验测试了唤醒，抄表两 个过程，一共抄收了 200次，成功率达99.2%。同时，利用 RS232接口，集中器直接和P C连接，同样实现了唤醒，抄表 两个过程。

6结语

论文工作从实际应用要求出发，将LoRa无线通信技术应 用于远距离无线智能抄表系统，通过公用蜂窝网络实现集抄 中心与电能表之间的通信。整个网络无需大量补线，便可完 成可靠传输，同时数据安全性高,系统结构简单，且节省人力 资源和建设成本，缩短维护时间，在低数据流量的传输上有其 独特优势，为构建智能抄表方案提供参考。

参考文献：

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