基于PA功率放大器的LoRa通信智能电能表的设计实现
2020-06-29沈学良杨兴吴建锋
沈学良 杨兴 吴建锋
摘 要：目前广泛使用的LoRa通信功能智能电能表因采用SEMTECH公司的SX127X系列芯片，发射功率上限被局限在20 dB，导致通信距离和穿透力方面性能欠佳。基于以上背景，设计了一种基于PA功率放大器的LoRa通信智能电能表，重点介绍了LoRa通信模块设计方案，对PA功率放大器电路以及LoRa通信模块电路设计实现进行了详细介绍，然后对电能表的总体设计方案进行了阐述，最后对表计整体功能和通信性能进行了测试。测试结果表明，电能表无障碍通信距离可达8 km，在居民小区内通信距离可达500 m，抗干扰能力强，很好地满足了智能抄表的通信需求。
关键词：功率放大器;LoRa通信;远距离;智能电能表
0 引言
目前智能电网建设不断向前推进，2019年3月，国家电网公司提出了泛在电力物联网建设的需求。传统的通信方式，比如RS485、电力线载波等技术因施工成本大、维护工作量大、通信速率低等缺陷，针对我国电力用户最后一公里数量多、环境复杂等因素，已经不能满足智能电网建设需求，设计一种远距离、低成本且施工成本低（无需布线）的无线通信电能表势在必行。
在无线通信技术领域，LoRa技术是典型代表，也是最具发展前景的低功耗广域网通信技术之一[1]。LoRa是一种工作在全球免授权频段的新型无线通信技术，部署与运营维护成本低，具有数据安全可控、抗干扰能力强以及通信距离远等优点，所以被广泛运用在物联网、电网无线抄表领域。但是目前LoRa通信功能智能电能表设计采用的是SEMTECH公司的SX127X系列芯片，发射功率上限被局限在20 dB，导致通信距离和穿透力方面性能欠佳，最远通信距离为6 000 m[2]，一般在2 000 m以下。
基于以上背景，本文提出了一种基于PA功率放大器的LoRa通信智能电能表的设计，电能表无障碍通信距离可达8 km，很好地满足了智能抄表的需求，可以广泛应用于智能电网，具有良好的发展前景[3]。
1 LoRa通信模块设计
1.1 通信模块选取
根据中国无线电委员会分配，CN470～510是应用于居民抄表，本系统方案设计选取的发射频点为470 MHz。
根据设计的中心频点470 MHz，选择采用利尔达科技集团股份有限公司的LSD4RF-2F717N30无线模块，工作频点401～510 MHz，最大发射功率20 dB，可以通过配置自有选择合适的工作频点。该模块使用的是基于SEMTECH射频集成芯片SX1278的射頻模块，是一款高性能物联网无线收发器，其特殊的LoRa调试方式可大大增加通信距离，可广泛应用于各种场合的短距离物联网无线通信领域，其具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点，根据实际应用情况有多种天线方案可供选配。LSD4RF-2F717N30无线模块提供了很大的灵活性，用户可自行决定扩频调制带宽（BW）、扩频因子（SF）和纠错率（CR）。扩频调制的另一优点就是，每个扩频因子均呈正交分布，因而多个传输信号可以占用同一信道而不互相干扰，并且能够与现有基于FSK的系统简单共存[4]。
1.2 PA芯片选取
PA芯片选取Skyworks公司的SKY65338-21芯片，该芯片采用+3.3 V电源，450～470 MHz收发前端模块，Tx增益最大可达32 dB，功能如图1所示。
通过SKY65338-21芯片可将信号发射功率从原来LSD4RF-
2F717N30的20 dB提升到30 dB。
1.3 设计实现
LoRa通信模块采用统一接口与主控MCU连接，这样的设计方便了该模块通用到不同的表型或设备上;电源取自基表电源，采用SPI协议完成和电能表主控MCU之间的数据通信;发射天线采用内置弹簧天线，弹簧天线的成本相对于其他天线比较低，并且尺寸小、易安装，天线驻波比性能好，具有很好的防振动、防老化能力。无线模块与天线配合使用，可以让无线传输距离更远。
1.3.1 设计原理图
通信模块与电能表之间采用SPI通信，采用电能表侧的电源进行稳压后提供给LoRa模块和PA芯片电源，原理设计框图如图2所示。
1.3.2 PCB设计
PCB设计采用4层板结构，中间两层为电源层和地层，上下两层用做信号层，上层走数字信号，下层走模拟信号，这样设计的好处是抗干扰能力强。PCB设计主要考虑到信号发射电路是高频电路，在高频电路中，由于信号频率较高，波长跟传输线长度相当，会产生信号的反射，导致原信号失真或能量的衰减。由于射频芯片和各射频单元输入、输出口并非标准的50 Ω，在射频前端电路各射频单元之间需进行阻抗匹配网络设计，以降低路径损耗，保障能量的高效传输。所以在发射电路上需要做50 Ω阻抗匹配，匹配部分如图3所示。
2 电能表设计
2.1 整体方案设计
电能表工作时，电压、电流经传感器件转换为采样信号，通过滤波处理后送入计量芯片，计量芯片将能量信号转化为脉冲信号送到CPU进行电量脉冲采集、电量累计和各项计算分析处理，其结果保存在数据存贮器中;同时实现红外、RS485、LCD显示等功能处理。温度补偿电路的硬时钟电路，应保证时钟在标称温度下日误差小于0.5 s。数据安全性上采用冗余设计，数据采用多重备份，确保计量数据可靠。原理结构框图如图4所示。
2.2 主要功能模块设计
2.2.1 主控MCU选择
主控制器采用上海复旦微电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程序存储器和4 kB RAM，集成LCD驱动、带温补的RTC时钟、ADC以及UART、I2C、SPI、7816等通用外设接口。通过强大的计算能力和处理事件的能力将其他模块连接起来形成一个统一的整体，完成电能表的电能计量、数据显示、继电控制、预付费以及无线通信的功能。
2.2.2 电能计量模块
本文采用深圳锐能品牌的RN8209C，该芯片具有高精度两路计量功能，高精度ADC可以在8 000：1范围内保证0.1%的计量误差。同时具备两路有功和无功电能的计量功能，计量芯片将采集到的电压和电流信号通过增益放大器进行放大，接着通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，经过滤波后，电流与电压数据相乘得出有功功率，最后以高脉冲的形式并经过处理后发送至微处理器。
2.2.3 通信模块
通信模块包括RS485、红外和LoRa通信，RS485采用无极性芯片，无极性设计是为了方便现场的安装。红外采用900 nm红外对管，带38 kHz载波，保证通信距离在5 m。LoRa通信采用统一设计模块，在章节1中已经介绍。
2.2.4 电源模块
电源模块分为市电供电和电池供电。市电采用线性变压器经过降压后提供给整个电能表使用，电池供电主要是为了保证电能表在下电后运行正常和保证时钟电路的正确计时。
2.3 软件功能设计
2.3.1 电能计量
具有正向、反向有功电能量计量功能，并可以据此设置组合有功电能量。
2.3.2 费率和时段
具有分时计量功能，有功电能量应对尖、峰、平、谷等各时段电能量及总电能量分别进行累计、存储;不应采用各费率或各时段电能量算术加的方式计算总电能量。
2.3.3 数据存储
能存储上12个结算日的单向或双向总电能和各费率电能数据。数据转存分界时刻为月末。
2.3.4 事件记录
應记录各种事件掉电的总次数以及最近10次掉电发生及结束的时刻，比如掉电、过压、过流、开罩壳等。
2.3.5 通信功能
实现LoRa、RS485和红外通信。
2.4 软件流程设计
软件流程设计如图5所示。
3 通信测试分析
通信距离和穿透能力是智能抄表的重要指标，所以需要对这两个指标进行测试。
3.1 LoRa通信参数设计
LoRa通信参数设计如表1所示。
3.2 通信距离测试
为了显示本文提出的基于LoRa通信技术的电能表的通信能力，本次选取了5 km、6.5 km、8 km和8.9 km四个不同通信距离的场景进行通信距离测试。通信距离测试示意图如图6所示。
测试结果如表2所示。
测试结果：测试在8 km还能正常通信，8.9 km处为通信临界点。
3.3 穿透能力测试
为了显示本文提出的基于LoRa通信技术的电能表的通信穿透能力，本次选取了居民区进行穿透力测试。通信穿透测试示意图如图7所示。
测试结果如表3所示。
测试结果：测试在503 m还能正常通信，551 m处为通信临界点。
4 结语
测试结果表明，基于PA功率放大器的LoRa通信智能电能表无障碍通信距离可达8 km，在居民小区内通信距离可达800 m，传输距离远、抗干扰能力强，很好地满足了智能抄表的通信需求，因此具有广阔的应用前景。
[参考文献]
[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] 严冬，贺开俊，程亚军，等.一种基于LoRa通信技术的单相预付费电能表[J].自动化与仪表，2018，33（8）：5-9.
[3] 李时杰，何怡刚，罗旗舞，等.基于LoRa的电气设备温湿度监测终端设计[J].传感器与微系统，2018，37（4）：89-91.
[4] 冒志益.基于LoRa的智能监测系统的研究与实现[D].南京：南京理工大学，2017.
收稿日期：2020-01-08
作者简介：沈学良（1982—），男，浙江杭州人，高级工程师，研究方向：智能仪器仪表。
