山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 袁玉英

山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 羅永剛

中國(guó)移動(dòng)德州分公司 袁慧祥

淄博市計(jì)量測(cè)試所 張光興

淄博貝林電子有限公司 鄒志遠(yuǎn)

1 引言

智能電表是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)電能采樣設(shè)備，負(fù)責(zé)記錄并存儲(chǔ)用戶的用電情況，并且將用電情況傳輸?shù)接秒姽芾聿块T，供能源生產(chǎn)著合理監(jiān)控電量消耗情況。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表已成為智能電網(wǎng)中的重要組成部分，傳統(tǒng)的人工抄表方式有數(shù)量大、誤差大等缺點(diǎn)，而且有些電表安裝地點(diǎn)偏遠(yuǎn)，有些則需帶電作業(yè)，危險(xiǎn)大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，除了造成資源的浪費(fèi)外，在實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在不足。使用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)不僅覆蓋性廣、通訊成本低、能夠高效、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)，而且還能提高電力單位對(duì)抄表業(yè)務(wù)的管理規(guī)范性，解決了電表分布點(diǎn)分散，難以管理的問題，是電力相關(guān)單位理想的抄表方案。本文設(shè)計(jì)一種基于LoRa技術(shù)的智能電表，不但能夠記錄用戶用電數(shù)量、用電時(shí)間，并通過LoRa無線傳輸方式將信息遠(yuǎn)程傳到電力公司；與傳統(tǒng)電表相比，采用LoRa的智能電表無線穿透力更強(qiáng)、采集更準(zhǔn)確、無線覆蓋范圍更廣，可以提高工作效率，保證服務(wù)質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LoRa無線智能電表是在電表內(nèi)部安裝有LoRa無線遠(yuǎn)傳模塊，采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)無線穩(wěn)定傳輸，具有功耗低、性能穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，

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(chǎng)上無線抄表系統(tǒng)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(jì)量存儲(chǔ)、多費(fèi)率功能、停電抄表功能、通信功能、數(shù)據(jù)輪顯等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能，LoRa無線智能電表由控制模塊、計(jì)量模塊、通信模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、時(shí)鐘模塊八個(gè)部分組成。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊

控制模塊采用STM8L052R8芯片。此芯片是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM8L超低功耗8位單片機(jī)，CPU內(nèi)核提供增強(qiáng)的處理能力，同時(shí)保持具有改進(jìn)碼密度的CISC體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，24位線性尋址空間和優(yōu)化的低功耗操作架構(gòu)。該芯片具有集成調(diào)試模塊，其硬件接口允許非侵入式的應(yīng)用程序調(diào)試和超高速Flash編程。其微控制器的特點(diǎn)是嵌入式數(shù)據(jù)EEPROM和低功耗、低電壓、單電源程序閃存。其可提供12位ADC、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、四個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)8位定時(shí)器以及標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如兩個(gè)SPI、1個(gè)I2C、三個(gè)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(shí)提供超長(zhǎng)距離傳輸，適用于多種應(yīng)用。采用Semtech公司的專利調(diào)制技術(shù)，SX1278可以使用低成本晶體和材料實(shí)現(xiàn)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(chuàng)建了最高鏈路設(shè)計(jì)，使其適用于任何要求范圍的應(yīng)用。這種調(diào)制技術(shù)比FSK在阻塞和選擇性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。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(diào)制模式。Semtech公司的技術(shù)克服了一個(gè)典型的性能與電流消耗的權(quán)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(jī)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(yīng)用，以滿足雙波段全球操作，或應(yīng)對(duì)未來帶寬分配的 變化。

3.3 計(jì)量模塊

計(jì)量模塊采用ADE7758芯片。ADE7758是由美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的芯片，完成三相電能表電量的高精度計(jì)量。其能輸出兩路脈沖，有一個(gè)串行接口與其他器件連接。ADE7758中有二階∑-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電路和溫度傳感器等電子元件，還有一些信號(hào)處理元件以完成所有有功、無功和視在電能的計(jì)量及有效值的計(jì)量。ADE7758中的波形采樣寄存器可以訪問模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出。波形采樣寄存器集成有一個(gè)用于短時(shí)持續(xù)低電平或高電平的檢測(cè)電路，用戶編程決定閾值電壓和 半周期數(shù)。三相任意相的線電壓過零檢測(cè)同步于電壓過零點(diǎn)，過零檢測(cè)的結(jié)果有兩個(gè)用途：測(cè)量三個(gè)電壓輸入的任何一個(gè)周期及用于內(nèi)部芯片的線循環(huán)電能累加模式。該模式使電能累加同步于半周期的整數(shù)倍，從而使校準(zhǔn)更快更準(zhǔn)確。

ADE7758的SPI串行接口負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)。中斷請(qǐng)求輸出（IRQ）為開漏極，在低電平時(shí)有效。ADE7758出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)中斷事件時(shí)，IRQ輸出低電平。通過狀態(tài)寄存器顯示中斷事件的性質(zhì)。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(gè)智能電表的動(dòng)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(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用DS1302芯片。該芯片給整個(gè)系統(tǒng)日歷時(shí)鐘，系統(tǒng)根據(jù)該時(shí)鐘決定什么時(shí)候凍結(jié)總用量、并且提供分時(shí)計(jì)量的時(shí)間基準(zhǔn)。該時(shí)鐘使用簡(jiǎn)單并且自帶RAM，它的計(jì)時(shí)精確度可以到秒，而且具有閏年補(bǔ)償功能。DS1302可以一次傳送多個(gè)數(shù)據(jù)位的信號(hào)，并和CPU用三線端口進(jìn)行同步通信。由于該時(shí)鐘使用簡(jiǎn)單并且成本低，因此在產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。

3.6 存儲(chǔ)模塊

分時(shí)采集的總用量存儲(chǔ)在24C02芯片中。CAT24WC02是一個(gè)2K位串行電可擦除只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)部組織有256個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位，有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器，該器件和處理器采用串行總線通信 ，使用簡(jiǎn)單節(jié)約端口，得到了廣泛的應(yīng)用。

3.7 按鍵、顯示模塊

由于表內(nèi)有大量的數(shù)據(jù)需要顯示，如果滿足用戶需求成為設(shè)計(jì)難題。該系統(tǒng)使用兩種顯示方式，一種為靜態(tài)顯示，一種為動(dòng)態(tài)按鍵顯示。正常電表輪顯設(shè)置的參數(shù)，當(dāng)用戶按鍵的時(shí)候，從第一屏開始顯示，一直可以輪顯到44屏。如果20秒之內(nèi)用戶不再按鍵，系統(tǒng)由按鍵顯示狀態(tài)改為輪顯狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括通信程序、計(jì)量程序、顯示程序、按鍵掃描中斷子程序的軟件設(shè)計(jì)。

主要流程是系統(tǒng)上電后，首先初始化，然后調(diào)用計(jì)量程序采集并計(jì)算用電量，得到用電量后，調(diào)用顯示子程序在顯示屏上顯示數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)時(shí)間點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)檢測(cè)是否需要上傳數(shù)據(jù)，如果需要上傳根據(jù)協(xié)議上傳對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)采集用戶用電電量，不斷循環(huán)這個(gè)過程。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于LoRa無線智能電表的軟硬件設(shè)計(jì)。LoRa無線智能電表可完成有功電能的計(jì)量與顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LoRa無線通信等多種功能，計(jì)量精確、穩(wěn)定，無線通信距離遠(yuǎn)，是遠(yuǎn)程無線抄表領(lǐng)域首選的智能電表。