基于LoRa技術的無線智能電表設計

山東理工大學計算機科學與技術學院 袁玉英

山東理工大學電氣與電子工程學院 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

1 引言

智能電表是智能電網的基礎電能采樣設備，負責記錄并存儲用戶的用電情況，并且將用電情況傳輸到用電管理部門，供能源生產著合理監控電量消耗情況。隨著工業自動化的發展，遠程抄表已成為智能電網中的重要組成部分，傳統的人工抄表方式有數量大、誤差大等缺點，而且有些電表安裝地點偏遠，有些則需帶電作業，危險大，費時費力，除了造成資源的浪費外，在實時性，準確性和應用性等方面都存在不足。使用LoRa技術實現遠程抄表系統不僅覆蓋性廣、通訊成本低、能夠高效、實時的遠程讀取數據，而且還能提高電力單位對抄表業務的管理規范性，解決了電表分布點分散，難以管理的問題，是電力相關單位理想的抄表方案。本文設計一種基于LoRa技術的智能電表，不但能夠記錄用戶用電數量、用電時間，并通過LoRa無線傳輸方式將信息遠程傳到電力公司；與傳統電表相比，采用LoRa的智能電表無線穿透力更強、采集更準確、無線覆蓋范圍更廣，可以提高工作效率，保證服務質量。

2 系統總體設計

LoRa無線智能電表是在電表內部安裝有LoRa無線遠傳模塊，采用LoRa擴頻技術進行數據無線穩定傳輸，具有功耗低、性能穩定、傳輸距離遠的特點，

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、數據輪顯等功能。根據系統功能，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 硬件設計

3.1 控制模塊

控制模塊采用STM8L052R8芯片。此芯片是意法半導體公司生產的STM8L超低功耗8位單片機，CPU內核提供增強的處理能力，同時保持具有改進碼密度的CISC體系結構的優點，24位線性尋址空間和優化的低功耗操作架構。該芯片具有集成調試模塊，其硬件接口允許非侵入式的應用程序調試和超高速Flash編程。其微控制器的特點是嵌入式數據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位定時器以及標準通信接口，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，適用于多種應用。采用Semtech公司的專利調制技術，SX1278可以使用低成本晶體和材料實現超過140dBm的靈敏度。高靈敏度和+20 dBm集成功率放大器的使用使SX1278創建了最高鏈路設計，使其適用于任何要求范圍的應用。這種調制技術比FSK在阻塞和選擇性方面具有顯著優勢。該芯片還支持高性能的采用WMBus的(G)FSK、FCC Part 90、15.4g和其他調制模式。Semtech公司的技術克服了一個典型的性能與電流消耗的權衡。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支持高頻和低頻應用，以滿足雙波段全球操作，或應對未來帶寬分配的 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模數轉換器、數字積分器、基準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轉換器的輸出。波形采樣寄存器集成有一個用于短時持續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。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部芯片的線循環電能累加模式。該模式使電能累加同步于半周期的整數倍，從而使校準更快更準確。

ADE7758的SPI串行接口負責讀取數據。中斷請求輸出（IRQ）為開漏極，在低電平時有效。ADE7758出現一個或多個中斷事件時，IRQ輸出低電平。通過狀態寄存器顯示中斷事件的性質。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。該芯片給整個系統日歷時鐘，系統根據該時鐘決定什么時候凍結總用量、并且提供分時計量的時間基準。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據位的信號，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，因此在產品中應用廣泛。

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，內部組織有256個字節，每個字節8位，有一個16字節頁寫緩沖器，該器件和處理器采用串行總線通信 ，使用簡單節約端口，得到了廣泛的應用。

3.7 按鍵、顯示模塊

由于表內有大量的數據需要顯示，如果滿足用戶需求成為設計難題。該系統使用兩種顯示方式，一種為靜態顯示，一種為動態按鍵顯示。正常電表輪顯設置的參數，當用戶按鍵的時候，從第一屏開始顯示，一直可以輪顯到44屏。如果20秒之內用戶不再按鍵，系統由按鍵顯示狀態改為輪顯狀態。

4 軟件設計

軟件設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計。

主要流程是系統上電后，首先初始化，然后調用計量程序采集并計算用電量，得到用電量后，調用顯示子程序在顯示屏上顯示數據信息，并根據時間點存儲數據，同時檢測是否需要上傳數據，如果需要上傳根據協議上傳對應數據，否則繼續采集用戶用電電量，不斷循環這個過程。

5 結束語

本文介紹了基于LoRa無線智能電表的軟硬件設計。LoRa無線智能電表可完成有功電能的計量與顯示、數據存儲、LoRa無線通信等多種功能，計量精確、穩定，無線通信距離遠，是遠程無線抄表領域首選的智能電表。