基于LoRa技术的无线智能电表设计

山东理工大学计算机科学与技术学院 袁玉英

山东理工大学电气与电子工程学院 罗永刚

中国移动德州分公司 袁慧祥

淄博市计量测试所 张光兴

淄博贝林电子有限公司 邹志远

1 引言

智能电表是智能电网的基础电能采样设备，负责记录并存储用户的用电情况，并且将用电情况传输到用电管理部门，供能源生产着合理监控电量消耗情况。随着工业自动化的发展，远程抄表已成为智能电网中的重要组成部分，传统的人工抄表方式有数量大、误差大等缺点，而且有些电表安装地点偏远，有些则需带电作业，危险大，费时费力，除了造成资源的浪费外，在实时性，准确性和应用性等方面都存在不足。使用LoRa技术实现远程抄表系统不仅覆盖性广、通讯成本低、能够高效、实时的远程读取数据，而且还能提高电力单位对抄表业务的管理规范性，解决了电表分布点分散，难以管理的问题，是电力相关单位理想的抄表方案。本文设计一种基于LoRa技术的智能电表，不但能够记录用户用电数量、用电时间，并通过LoRa无线传输方式将信息远程传到电力公司；与传统电表相比，采用LoRa的智能电表无线穿透力更强、采集更准确、无线覆盖范围更广，可以提高工作效率，保证服务质量。

2 系统总体设计

LoRa无线智能电表是在电表内部安装有LoRa无线远传模块，采用LoRa扩频技术进行数据无线稳定传输，具有功耗低、性能稳定、传输距离远的特点，

解决了前期无线电表传输距离近、抗干扰性差和低功耗高等问题，将成为市场上无线抄表系统中电表的最佳选择。智能电表主要功能包括：用户用电量的计量存储、多费率功能、停电抄表功能、通信功能、数据轮显等功能。根据系统功能，LoRa无线智能电表由控制模块、计量模块、通信模块、电源模块、存储模块、显示模块、按键模块、时钟模块八个部分组成。

3 硬件设计

3.1 控制模块

控制模块采用STM8L052R8芯片。此芯片是意法半导体公司生产的STM8L超低功耗8位单片机，CPU内核提供增强的处理能力，同时保持具有改进码密度的CISC体系结构的优点，24位线性寻址空间和优化的低功耗操作架构。该芯片具有集成调试模块，其硬件接口允许非侵入式的应用程序调试和超高速Flash编程。其微控制器的特点是嵌入式数据EEPROM和低功耗、低电压、单电源程序闪存。其可提供12位ADC、实时时钟、四个16位定时器、一个8位定时器以及标准通信接口，如两个SPI、1个I2C、三个USART和8×24或4×28分段液晶显示接口。其工作在1.8伏至3.6伏之间。

3.2 通信模块

通信模块采用LoRa SX1278模块。Semtech公司的SX1278可在保持低电流消耗的同时提供超长距离传输，适用于多种应用。采用Semtech公司的专利调制技术，SX1278可以使用低成本晶体和材料实现超过140dBm的灵敏度。高灵敏度和+20 dBm集成功率放大器的使用使SX1278创建了最高链路设计，使其适用于任何要求范围的应用。这种调制技术比FSK在阻塞和选择性方面具有显著优势。该芯片还支持高性能的采用WMBus的(G)FSK、FCC Part 90、15.4g和其他调制模式。Semtech公司的技术克服了一个典型的性能与电流消耗的权衡。SX1278可比同类芯片提供更低的相位噪声，更好的选择性、接收机线性和IIP3。其覆盖了137MHz至1050MHz的主要ISM频段。为了便于匹配，降低成本，提高性能，SX1278支持高频和低频应用，以满足双波段全球操作，或应对未来带宽分配的 变化。

3.3 计量模块

计量模块采用ADE7758芯片。ADE7758是由美国ADI公司生产的芯片，完成三相电能表电量的高精度计量。其能输出两路脉冲，有一个串行接口与其他器件连接。ADE7758中有二阶∑-D模数转换器、数字积分器、基准电路和温度传感器等电子元件，还有一些信号处理元件以完成所有有功、无功和视在电能的计量及有效值的计量。ADE7758中的波形采样寄存器可以访问模数转换器的输出。波形采样寄存器集成有一个用于短时持续低电平或高电平的检测电路，用户编程决定阈值电压和 半周期数。三相任意相的线电压过零检测同步于电压过零点，过零检测的结果有两个用途：测量三个电压输入的任何一个周期及用于内部芯片的线循环电能累加模式。该模式使电能累加同步于半周期的整数倍，从而使校准更快更准确。

ADE7758的SPI串行接口负责读取数据。中断请求输出（IRQ）为开漏极，在低电平时有效。ADE7758出现一个或多个中断事件时，IRQ输出低电平。通过状态寄存器显示中断事件的性质。ADE7758采用24引脚小外形封装（SOIC）。

3.4 电源模块

电源模块是整个智能电表的动力中枢，主要为电表的其他模块提供电力，采用外部插排供电。

3.5 时钟模块

时钟模块采用DS1302芯片。该芯片给整个系统日历时钟，系统根据该时钟决定什么时候冻结总用量、并且提供分时计量的时间基准。该时钟使用简单并且自带RAM，它的计时精确度可以到秒，而且具有闰年补偿功能。DS1302可以一次传送多个数据位的信号，并和CPU用三线端口进行同步通信。由于该时钟使用简单并且成本低，因此在产品中应用广泛。

3.6 存储模块

分时采集的总用量存储在24C02芯片中。CAT24WC02是一个2K位串行电可擦除只读存储器，内部组织有256个字节，每个字节8位，有一个16字节页写缓冲器，该器件和处理器采用串行总线通信 ，使用简单节约端口，得到了广泛的应用。

3.7 按键、显示模块

由于表内有大量的数据需要显示，如果满足用户需求成为设计难题。该系统使用两种显示方式，一种为静态显示，一种为动态按键显示。正常电表轮显设置的参数，当用户按键的时候，从第一屏开始显示，一直可以轮显到44屏。如果20秒之内用户不再按键，系统由按键显示状态改为轮显状态。

4 软件设计

软件设计主要包括通信程序、计量程序、显示程序、按键扫描中断子程序的软件设计。

主要流程是系统上电后，首先初始化，然后调用计量程序采集并计算用电量，得到用电量后，调用显示子程序在显示屏上显示数据信息，并根据时间点存储数据，同时检测是否需要上传数据，如果需要上传根据协议上传对应数据，否则继续采集用户用电电量，不断循环这个过程。

5 结束语

本文介绍了基于LoRa无线智能电表的软硬件设计。LoRa无线智能电表可完成有功电能的计量与显示、数据存储、LoRa无线通信等多种功能，计量精确、稳定，无线通信距离远，是远程无线抄表领域首选的智能电表。