一種基于LoRa通信技術的單相預付費電能表

嚴 冬，賀開俊，程亞軍，王 平，李帥永

（重慶郵電大學 工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065）

隨著智能電網的不斷發展，智能抄表開始成為研究的熱點。現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成電網，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、停止和運行都會產生較大的噪聲）、信號衰減快、線路阻抗經常波動等不利因素[1]。RS485通信結構簡單，便于實現抄表，但是布線工作量龐大，線路容易老化和破損，維護成本高[2]。無線抄表的通信方式主要有GPRS和ZigBee。GPRS是由電信運營商構建的無線網絡，需要額外支付網絡接入費，系統建造和維護的成本也比較高，而且GPRS網絡信號不穩定，抗干擾能力差。而依靠ZigBee無線通信技術進行抄表雖然能減少建造成本，但是受到短距離通信的限制，也不適合進行大面積推廣。

針對上述問題，在智能電表抄表領域迫切需要一種成本低、抗干擾能力強以及通信距離遠的通信技術。LoRa無線通信技術就是其中典型代表，也是最具發展前景的低功耗廣域網通信技術之一[3]。LoRa是一種工作在全球免授權頻段的新型無線通信技術，部署與運營維護成本低，具有數據安全可控，抗干擾能力強以及通信距離遠等優點。文獻[4-5]將LoRa通信技術應用到智能抄表系統，但是只能實現小范圍（2000 m內）的有效通信，無法滿足遠距離通信的要求，主要原因是其射頻路徑損耗較大，能量輸出較小。本文將LoRa無線通信技術應用到智能抄表領域并將其與單相預付費電能表結合在一起，設計了一種基于LoRa通信技術的單相預付費電能表。本文通過對LoRa通信模塊射頻電路進行優化，有效降低了路徑損耗，提高了能量傳輸效率。測試結果表明該電能表有效通信距離可達到6000 m，而且抗干擾能力強，能夠很好地滿足了智能抄表的通信需求，因此具有廣闊的應用前景。

1 LoRa通信模塊設計

LoRa通信模塊總體設計方案如圖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，下面進行簡要介紹。

圖1 LoRa通信模塊總體設計方案Fig.1 Overall design of LoRa communication module

主控模塊主控模塊是整個無線通信模塊的“管家”，對整個無線模塊起控制和管理作用。

射頻模塊由射頻芯片、時鐘電路、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技術的SX1276芯片，是射頻電路的核心。射頻模塊是整個LoRa通信模塊設計的關鍵部分，決定了整個通信系統的性能。

通信接口由UART和GPIO接口組成，便于采集電能表相關數據。

電源模塊采用鋰電池供電，為各個模塊的正常運行提供電能，便于電能表進行通信測試。

接下來將重點介紹射頻模塊中的濾波器設計、阻抗匹配網絡設計和微帶傳輸線設計。

1.1 濾波器設計

本文采用ADS仿真軟件設計了一款適用于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，發射中心頻率為433MHz時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，由圖3可以看出，在發射中心頻率為433 MHz時，其歸一化阻抗值為1-j0.147，十分接近標準阻抗，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中的高次諧波，具有較好的選頻特性。同時，頻譜測試功率為19.65 dBm，與理想發射功率20 dBm十分接近，插入損耗較小。

1.2 阻抗匹配網絡設計

為進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圓圖進行了阻抗匹配網絡的設計。根據射頻芯片的阻抗特性，采用L型匹配網絡對射頻端口進行50 Ω標準阻抗匹配，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，結合Smith圓圖阻抗點匹配規律，先串聯電容，沿等電阻圓逆時針移動，再并聯一個電感，沿等電導圓逆時針移動。通過對串聯電容和并聯電感值的調整，有效的將源阻抗13.7+j2.6 Ω匹配到標準阻抗50 Ω，其中電容取值12.8 pF，電感取值9.8 nH。結合實際工程應用，該電容電感分別取值 13 pF、10 nH。

1.3 微帶傳輸線設計

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計能夠減少射頻路徑損耗，確保信號的有效傳輸[6-8]。本文通過AppCAD工具進行50 Ω阻抗值微帶線的計算與設計，如圖6所示為50 Ω微帶線示意圖。通過仿真軟件對介電常數、介質基片厚度、介質表面銅厚、走線對地寬度等參數的設置和走線寬度的調整最終得到50.8 Ω的微帶線，幾乎完美的接近50 Ω標準阻抗，最終具體參數如表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Fig.1 50 Ω microstrip line specific parameters

2 電能表設計

2.1 總體設計方案

本文提出的一種基于LoRa通信技術的單相預付費電能表，主要包括微處理器、電能計量模塊、繼電器控制模塊、電源模塊、預付費模塊和LoRa通信模塊。電能表總體設計方案如圖7所示。

圖7 電能表總體設計方案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，通過強大的計算能力和處理事件的能力將其他模塊連接起來形成一個統一的整體，完成電能表的電能計量、數據顯示、繼電控制、預付費以及無線通信的功能。

2.2.2 電能計量模塊

電能計量模塊包括電流取樣、電壓取樣和電能計量芯片。本文提出的電能表的電能計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量芯片RN8209C。電能計量芯片將采集到的電壓和電流信號通過增益放大器進行放大，接著通過模數轉換器將模擬信號轉換成數字信號，經過濾波后，電流與電壓數據相乘得出有功功率，最后以高脈沖的形式并經過處理后發送至微處理器。

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。當微處理器接收到售電管理系統傳來的用戶欠費信號時，微處理器發出斷開命令，繼電器控制接收命令后控制繼電器執行命令，切斷用戶電能供應。

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電能表進行供電，當線路發生故障停電時，則由鋰電池對電能表進行供電，保證電能表通信正常。

2.2.5 預付費模塊

通過在電能表內插入IC卡實現電能表的預付費功能，主要功能有：

數據預置功能售電管理系統可通過用戶IC卡對預購電量、剩余報警電量門限、最大囤積電量、負荷門限以及協議透支電量等參數進行設置。

智能控制功能電能表采用脈沖采樣方式自動計量用戶電量，當用戶購電量用完或協議透支電量用盡時，電能表輸出跳閘控制信號，切斷用戶用電。

預報警功能當用戶電能表中顯示的剩余電量小于報警電量時，給予用戶報警提示，以便用戶盡快購電。

負荷控制功能當用電負荷連續超過電能表設定的控制值時，電能表的負荷開關自動斷開，保護用電線路、設備不受損壞，當用電負荷減少在控制范圍內時，電能表自動合閘，方便用戶使用。

安全保護功能在IC卡和電能表內都有密鑰安全認證，保證用電安全。

電量凍結功能售電管理系統可以對電能表下發電量凍結指令，并將凍結電量數據抄回進行線損統計和電費核算。

2.2.6 LoRa通信模塊

如前所述，本文對LoRa通信模塊進行了重點設計，該模塊用于將電能表中的數據發送給售電管理系統，同時接收售電管理系統發送的控制信號實現對電能表的遠程控制。

3 電能表通信測試

3.1 通信距離測試

通信距離測試，是智能抄表的一個重要的指標，為了顯示本文提出的基于LoRa通信技術的單相預付費電能表的通信能力，本次選取了750 m、1200 m、3400 m、4500 m和6000 m五個不同通信距離的場景進行通信距離測試。通信距離測試示意圖如圖8所示。

進行通信距離測試時，發射節點和接收節點中心頻率均設置為433MHz，帶寬BW設置為125 kHz，傳輸速率Rb為3125 bps。由于LoRa調制方式本身具有的低速率特性，在進行測試時連續發包數量設置為100個，每個數據包為64個字節長度，發射功率設置為20 dBm。接收端通過串口線將接收節點與上位機進行連接，實時將接收到的數據包個數和當前接收的信號強度（RSSI）顯示出來。在擴頻因子分別為SF8和SF12時實際測試結果如表2所示。

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

表2 通信距離測試結果統計Tab.2 Communication distance test result statistics

由表2可知，在發射功率為20dBm時，電能表能保證3400 m范圍內無丟包通信，6000 m范圍內丟包率小于10%，其丟包率在一定的允許范圍內。此外，在測試距離為6000 m時無線通信模塊RSSI的值可達-122 dBm，進一步驗證了其較高的抗干擾能力。

3.2 穿透性能測試

由于電能表大多都安裝在住房里，這些建筑物的遮擋會對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，需要進行穿透性能測試。本次選取寬敞的辦公寫字樓作為測試場景，分別對穿墻性能和穿樓層性能進行測試。

3.2.1 穿墻性能測試

如圖9所示，為電能表通信穿墻性能測試示意圖，共8個房間，在房間1放置的電能表發射（Tx）信號，在2～8房間分別放置接收信號的模塊（Rx1～Rx7）。發射參數設置為發射中心頻率433 MHz，發射功率為20 dBm，帶寬BW125 kHz，測試結果如表3所示。

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

表3 穿墻性能測試結果Tab.3 Through-wall performance test results

由測試結果可知，電能表可以實現直線方向3堵墻無丟包通信，4堵墻時開始出現丟包，7堵墻時丟包率小于10%，其丟包率在一定的允許范圍內。

3.2.2 穿樓層性能測試

穿樓層性能測試選取9個樓層，在第5樓層放置電能表發射（Tx）信號，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）。穿樓層性能測試示意圖如圖10所示，測試結果如表4所示。

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

表4 穿樓層性能測試結果Tab.4 Through-floor performance test results

由測試結果可知，該電能表基本上可以實現3層樓無丟包通信，4層樓開始出現丟包，5層樓內可實現丟包率小于10%，其丟包率在一定的允許范圍內。進一步可以發現，當接收端位于電能表的下方樓層時通信性能優于同穿樓層數的上方接收端。

4 結語

本文提出了一種基于LoRa通信技術的單相預付費電能表，以滿足智能抄表對低成本、強抗干擾能力和遠距離通信的需求。文中首先重點介紹了電能表的LoRa通信模塊設計，對其中的射頻電路進行了優化設計與仿真分析；然后給出了電能表總體設計方案，并對電能表各個模塊的功能進行了介紹；最后進行了電能表通信測試，包括通信距離測試、穿墻性能測試和穿樓層性能測試。

從測試結果可知，電能表能保證6000 m范圍內的有效通信；在穿過7堵墻或5層樓后仍然保持較高的通信成功率。測試結果表明，電能表能很好的滿足智能抄表對強抗干擾能力以及遠距離通信的需求，再加上LoRa工作在全球免授權頻段，部署與運營維護成本低，所以能很好地滿足低成本的需求。隨著智能電網的不斷發展，這種基于LoRa通信技術的單相預付費電能表，應用前景廣闊。