基于PA功率放大器的LoRa通信智能電能表的設(shè)計實現(xiàn)

沈?qū)W良 楊興 吳建鋒

摘 要：目前廣泛使用的LoRa通信功能智能電能表因采用SEMTECH公司的SX127X系列芯片，發(fā)射功率上限被局限在20 dB，導(dǎo)致通信距離和穿透力方面性能欠佳。基于以上背景，設(shè)計了一種基于PA功率放大器的LoRa通信智能電能表，重點介紹了LoRa通信模塊設(shè)計方案，對PA功率放大器電路以及LoRa通信模塊電路設(shè)計實現(xiàn)進行了詳細介紹，然后對電能表的總體設(shè)計方案進行了闡述，最后對表計整體功能和通信性能進行了測試。測試結(jié)果表明，電能表無障礙通信距離可達8 km，在居民小區(qū)內(nèi)通信距離可達500 m，抗干擾能力強，很好地滿足了智能抄表的通信需求。

關(guān)鍵詞：功率放大器;LoRa通信;遠距離;智能電能表

0? ? 引言

目前智能電網(wǎng)建設(shè)不斷向前推進，2019年3月，國家電網(wǎng)公司提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的需求。傳統(tǒng)的通信方式，比如RS485、電力線載波等技術(shù)因施工成本大、維護工作量大、通信速率低等缺陷，針對我國電力用戶最后一公里數(shù)量多、環(huán)境復(fù)雜等因素，已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)需求，設(shè)計一種遠距離、低成本且施工成本低（無需布線）的無線通信電能表勢在必行。

在無線通信技術(shù)領(lǐng)域，LoRa技術(shù)是典型代表，也是最具發(fā)展前景的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)之一[1]。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)，部署與運營維護成本低，具有數(shù)據(jù)安全可控、抗干擾能力強以及通信距離遠等優(yōu)點，所以被廣泛運用在物聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)無線抄表領(lǐng)域。但是目前LoRa通信功能智能電能表設(shè)計采用的是SEMTECH公司的SX127X系列芯片，發(fā)射功率上限被局限在20 dB，導(dǎo)致通信距離和穿透力方面性能欠佳，最遠通信距離為6 000 m[2]，一般在2 000 m以下。

基于以上背景，本文提出了一種基于PA功率放大器的LoRa通信智能電能表的設(shè)計，電能表無障礙通信距離可達8 km，很好地滿足了智能抄表的需求，可以廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)，具有良好的發(fā)展前景[3]。

1? ? LoRa通信模塊設(shè)計

1.1? ? 通信模塊選取

根據(jù)中國無線電委員會分配，CN470～510是應(yīng)用于居民抄表，本系統(tǒng)方案設(shè)計選取的發(fā)射頻點為470 MHz。

根據(jù)設(shè)計的中心頻點470 MHz，選擇采用利爾達科技集團股份有限公司的LSD4RF-2F717N30無線模塊，工作頻點401～510 MHz，最大發(fā)射功率20 dB，可以通過配置自有選擇合適的工作頻點。該模塊使用的是基于SEMTECH射頻集成芯片SX1278的射頻模塊，是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，其特殊的LoRa調(diào)試方式可大大增加通信距離，可廣泛應(yīng)用于各種場合的短距離物聯(lián)網(wǎng)無線通信領(lǐng)域，其具有體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，根據(jù)實際應(yīng)用情況有多種天線方案可供選配。LSD4RF-2F717N30無線模塊提供了很大的靈活性，用戶可自行決定擴頻調(diào)制帶寬（BW）、擴頻因子（SF）和糾錯率（CR）。擴頻調(diào)制的另一優(yōu)點就是，每個擴頻因子均呈正交分布，因而多個傳輸信號可以占用同一信道而不互相干擾，并且能夠與現(xiàn)有基于FSK的系統(tǒng)簡單共存[4]。

1.2? ? PA芯片選取

PA芯片選取Skyworks公司的SKY65338-21芯片，該芯片采用+3.3 V電源，450～470 MHz收發(fā)前端模塊，Tx增益最大可達32 dB，功能如圖1所示。

通過SKY65338-21芯片可將信號發(fā)射功率從原來LSD4RF-

2F717N30的20 dB提升到30 dB。

1.3? ? 設(shè)計實現(xiàn)

LoRa通信模塊采用統(tǒng)一接口與主控MCU連接，這樣的設(shè)計方便了該模塊通用到不同的表型或設(shè)備上;電源取自基表電源，采用SPI協(xié)議完成和電能表主控MCU之間的數(shù)據(jù)通信;發(fā)射天線采用內(nèi)置彈簧天線，彈簧天線的成本相對于其他天線比較低，并且尺寸小、易安裝，天線駐波比性能好，具有很好的防振動、防老化能力。無線模塊與天線配合使用，可以讓無線傳輸距離更遠。

1.3.1? ? 設(shè)計原理圖

通信模塊與電能表之間采用SPI通信，采用電能表側(cè)的電源進行穩(wěn)壓后提供給LoRa模塊和PA芯片電源，原理設(shè)計框圖如圖2所示。

1.3.2? ? PCB設(shè)計

PCB設(shè)計采用4層板結(jié)構(gòu)，中間兩層為電源層和地層，上下兩層用做信號層，上層走數(shù)字信號，下層走模擬信號，這樣設(shè)計的好處是抗干擾能力強。PCB設(shè)計主要考慮到信號發(fā)射電路是高頻電路，在高頻電路中，由于信號頻率較高，波長跟傳輸線長度相當，會產(chǎn)生信號的反射，導(dǎo)致原信號失真或能量的衰減。由于射頻芯片和各射頻單元輸入、輸出口并非標準的50 Ω，在射頻前端電路各射頻單元之間需進行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，以降低路徑損耗，保障能量的高效傳輸。所以在發(fā)射電路上需要做50 Ω阻抗匹配，匹配部分如圖3所示。

2? ? 電能表設(shè)計

2.1? ? 整體方案設(shè)計

電能表工作時，電壓、電流經(jīng)傳感器件轉(zhuǎn)換為采樣信號，通過濾波處理后送入計量芯片，計量芯片將能量信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號送到CPU進行電量脈沖采集、電量累計和各項計算分析處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存貯器中;同時實現(xiàn)紅外、RS485、LCD顯示等功能處理。溫度補償電路的硬時鐘電路，應(yīng)保證時鐘在標稱溫度下日誤差小于0.5 s。數(shù)據(jù)安全性上采用冗余設(shè)計，數(shù)據(jù)采用多重備份，確保計量數(shù)據(jù)可靠。原理結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.2? ? 主要功能模塊設(shè)計

2.2.1? ? 主控MCU選擇

主控制器采用上海復(fù)旦微電子股份有限公司低功耗系列MCU——FM3318。FM3318系列芯片是16位低功耗MCU芯片，最大可支持128 kB FLASH程序存儲器和4 kB RAM，集成LCD驅(qū)動、帶溫補的RTC時鐘、ADC以及UART、I2C、SPI、7816等通用外設(shè)接口。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(tǒng)一的整體，完成電能表的電能計量、數(shù)據(jù)顯示、繼電控制、預(yù)付費以及無線通信的功能。

2.2.2? ? 電能計量模塊

本文采用深圳銳能品牌的RN8209C，該芯片具有高精度兩路計量功能，高精度ADC可以在8 000：1范圍內(nèi)保證0.1%的計量誤差。同時具備兩路有功和無功電能的計量功能，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(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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? ? 通信模塊

通信模塊包括RS485、紅外和LoRa通信，RS485采用無極性芯片，無極性設(shè)計是為了方便現(xiàn)場的安裝。紅外采用900 nm紅外對管，帶38 kHz載波，保證通信距離在5 m。LoRa通信采用統(tǒng)一設(shè)計模塊，在章節(jié)1中已經(jīng)介紹。

2.2.4? ? 電源模塊

電源模塊分為市電供電和電池供電。市電采用線性變壓器經(jīng)過降壓后提供給整個電能表使用，電池供電主要是為了保證電能表在下電后運行正常和保證時鐘電路的正確計時。

2.3? ? 軟件功能設(shè)計

2.3.1? ? 電能計量

具有正向、反向有功電能量計量功能，并可以據(jù)此設(shè)置組合有功電能量。

2.3.2? ? 費率和時段

具有分時計量功能，有功電能量應(yīng)對尖、峰、平、谷等各時段電能量及總電能量分別進行累計、存儲;不應(yīng)采用各費率或各時段電能量算術(shù)加的方式計算總電能量。

2.3.3? ? 數(shù)據(jù)存儲

能存儲上12個結(jié)算日的單向或雙向總電能和各費率電能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時刻為月末。

2.3.4? ? 事件記錄

應(yīng)記錄各種事件掉電的總次數(shù)以及最近10次掉電發(fā)生及結(jié)束的時刻，比如掉電、過壓、過流、開罩殼等。

2.3.5? ? 通信功能

實現(xiàn)LoRa、RS485和紅外通信。

2.4? ? 軟件流程設(shè)計

軟件流程設(shè)計如圖5所示。

3? ? 通信測試分析

通信距離和穿透能力是智能抄表的重要指標，所以需要對這兩個指標進行測試。

3.1? ? LoRa通信參數(shù)設(shè)計

LoRa通信參數(shù)設(shè)計如表1所示。

3.2? ? 通信距離測試

為了顯示本文提出的基于LoRa通信技術(shù)的電能表的通信能力，本次選取了5 km、6.5 km、8 km和8.9 km四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6所示。

測試結(jié)果如表2所示。

測試結(jié)果：測試在8 km還能正常通信，8.9 km處為通信臨界點。

3.3? ? 穿透能力測試

為了顯示本文提出的基于LoRa通信技術(shù)的電能表的通信穿透能力，本次選取了居民區(qū)進行穿透力測試。通信穿透測試示意圖如圖7所示。

測試結(jié)果如表3所示。

測試結(jié)果：測試在503 m還能正常通信，551 m處為通信臨界點。

4? ? 結(jié)語

測試結(jié)果表明，基于PA功率放大器的LoRa通信智能電能表無障礙通信距離可達8 km，在居民小區(qū)內(nèi)通信距離可達800 m，傳輸距離遠、抗干擾能力強，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。

[參考文獻]

[1] PATEL D，WON M.Experimental study on low power wide area networks（LPWAN） for mobile internet of things[C]// 2017 IEEE 85th Vehicular Technology Conference，2017.

[2] 嚴冬，賀開俊，程亞軍，等.一種基于LoRa通信技術(shù)的單相預(yù)付費電能表[J].自動化與儀表，2018，33（8）：5-9.

[3] 李時杰，何怡剛，羅旗舞，等.基于LoRa的電氣設(shè)備溫濕度監(jiān)測終端設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（4）：89-91.

[4] 冒志益.基于LoRa的智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學，2017.

收稿日期：2020-01-08

作者簡介：沈?qū)W良（1982—），男，浙江杭州人，高級工程師，研究方向：智能儀器儀表。