徐秋霞
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：智能抄表是智能电网的一个主要发展方向，但是现有电能表抄表的通信方式很难满
足低成本、强抗干扰能力以及远距离通信的需求。为此，该文设计了一种基于LoRa通信技术的单相预付费电能表。首先介绍了LoRa 通信模块整体设计方案，重点对射频电路进行了仿真与分析；然后给出了电能表的总体设计方案；最后进行了电能表通信测试。测试结果表明，该电能表有效通信距离可达6000m，通信距离远；可以实现穿过7堵墙和5层楼的有效通信，抗干扰能力强。因此，该电能表能很好地满足智能抄表的通信需求。
关键词: LoRa；智能抄表；单相电能表；预付费
0引言
随着智能电网的不断发展，智能抄表开始成为研究的热点。现有电能表抄表主要分为有线抄表和无线抄表。有线抄表的通信方式主要是电力线通信或者RS485通信。电力线通信可以利用现成电网，不需要额外线路投资，布线成本低，但是存在间歇性噪声较大（某些电器的启动、停止和运行都会产生较大的噪声）、信号衰减快、线路阻抗经常波动等不利因素。 RS485 通信结构简单，便于实现抄表，但是布线工作量庞大，线路容易老化和破损，维护成本高。无线抄表的通信方式主要有GPRS和ZigBee。GPRS是由电信运营商构建的无线网络， 需要额外支付网络接入费，系统建造和维护的成本也比较高，而且GPRS网络信号不稳定，抗干扰能力差。而依靠ZigBee无线通信技术进行抄表虽然能减少建造成本，但是受到短距离通信的限制，也不适合进行大面积推广。针对上述问题，在智能电表抄表领域迫切需要一种成本低、抗干扰能力强以及通信距离远的通信技术。LoRa无线通信技术就是其中典型代表，也是最具发展前景的低功耗广域网通信技术之一。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。将LoRa 通信技术应用到智能抄表系统，但是只能实现小范围（2000m内）的有效通信，无法满足远距离通信的要求，主要原因是其射频路径损耗较大，能量输出较小。 本文将 LoRa 无线通信技术应用到智能抄表领域并将其与单相预付费电能表结合在一起，设计了一种基于LoRa通信技术的单相预付费电能表。本文通过对LoRa通信模块射频电路进行优化，有效降低了路径损耗，提高了能量传输效率。测试结果表明该电能表有效通信距离可达到6000m，而且抗干扰能力强，能够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。
1LoRa 通信模块设计
LoRa 通信模块总体设计方案如图1所示。由图1可知，LoRa通信模块主要由主控（MCU）模块、射频（RF）模块、通信接口以及电源模块组成，下面进行简要介绍。
主控模块 主控模块是整个无线通信模块的“管家”，对整个无线模块起控制和管理作用。射频模块 由射频芯片、时钟电路、电源滤波电路、射频前端、阻抗匹配和微带传输线组成。 其中射频芯片采用具有LoRa技术的SX1276芯片，是射频电路的核心。射频模块是整个LoRa通信模块设计的关键部分，决定了整个通信系统的性能。
通信接口 由UART和GPIO接口组成，便于采集电能表相关数据。
电源模块 采用锂电池供电，为各个模块的正常运行提供电能，便于电能表进行通信测试。接下来将重点介绍射频模块中的滤波器设计、阻抗匹配网络设计和微带传输线设计。
1.1滤波器设计
本文采用ADS仿真软件设计了一款适用于433 MHz频段的带通滤波器，主要目的是过滤掉射频端口产生的基频高次谐波。图2和图3为带通滤波器仿真效果图。由图2可知，发射中心频率为433MHz 时S（1，1）和S（1，2）分别为-22.677 dBm和-0.024 dBm，具有良好的带通特性。同时，由图3可以看出，在发射中心频率为433MHz 时，其归一化阻抗值为1- j0.147，十分接近标准阻抗，具有良好的阻抗特性。带通滤波器滤波效果图如图4所示。由图4可知，该款带通滤波器有效滤除了系统中的高次谐波，具有较好的选频特性。同时，频谱测试功率为19.65dBm，与理想发射功率20dBm十分接近，插入损耗较小。
1.2阻抗匹配网络设计
为进一步降低射频链路路径损耗，提高能量传输效率，本文借用Smith圆图进行了阻抗匹配网络的设计。根据射频芯片的阻抗特性，采用L型匹配网络对射频端口进行50Ω标准阻抗匹配，射频端口阻抗匹配方案如图5所示。由图5可知，结合 Smith 圆图阻抗点匹配规律，先串联电容，沿等电阻圆逆时针移动，再并联一个电感，沿等电导圆逆时针移动。通过对串联电容和并联电感值的调整，有效的将源阻抗13.7+j2.6Ω匹配到标准阻抗50Ω，其中电容取值12.8pF，电感取值9.8nH。结合实际工程应用，该电容电感分别取值13pF、10nH。
1.3微带传输线设计
微带线是集成电路板中主要的传输线方式，良好的微带传输线设计能够减少射频路径损耗，确保信号的有效传输。本文通过 AppCAD 工具进行50Ω阻抗值微带线的计算与设计，如图6所示为50Ω微带线示意图。通过仿真软件对介电常数、介质基片厚度、介质表面铜厚、走线对地宽度等参数的设置和走线宽度的调整最终得到50.8Ω的微带线，几乎完全接近50Ω标准阻抗，最终具体参数如表1所示。
2电能表设计
2.1总体设计方案
本文提出的一种基于LoRa通信技术的单相预付费电能表，主要包括微处理器、电能计量模块、继电器控制模块、电源模块、预付费模块和LoRa通信模块。电能表总体设计方案如图7所示。
2.2各模块功能
2.2.1微处理器
本文提出的电能表微处理器采用上海复旦微电子有限公司的FM3308电能表专用芯片， 微处理器是电能表的核心，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
电能计量模块包括电流取样、电压取样和电能计量芯片。本文提出的电能表的电能计量芯片采用深圳市瑞能微科技有限公司的单相多功能防窃电专用计量芯片RN8209C。电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继电器控制模块
继电器控制模块包括继电器和继电器控制，主要用于控制电路的通断。当微处理器接收到售电管理系统传来的用户欠费信号时，微处理器发出断开命令，继电器控制接收命令后控制继电器执行命令，切断用户电能供应。
2.2.4电源模块
电源模块包括电力线供电和锂电池供电，正常情况下通过电力线对电能表进行供电，当线路发生故障停电时，则由锂电池对电能表进行供电，保证电能表通信正常。
2.2.5预付费模块
通过在电能表内插入IC卡实现电能表的预付费功能，主要功能有：数据预置功能售电管理系统可通过用户IC卡对预购电量、剩余报警电量门限、最大囤积电量、负荷门限以及协议透支电量等参数进行设置。智能控制功能 电能表采用脉冲采样方式自动计量用户电量， 当用户购电量用完或协议透支电量用尽时，电能表输出跳闸控制信号，切断用户用电。预报警功能 当用户电能表中显示的剩余电量小于报警电量时，给予用户报警提示，以便用户尽快购电。负荷控制功能 当用电负荷连续超过电能表设定的控制值时，电能表的负荷开关自动断开，保护用电线路、设备不受损坏，当用电负荷减少在控制范围内时，电能表自动合闸，方便用户使用。安全保护功能在IC卡和电能表内都有密钥安全认证，保证用电安全。电量冻结功能 售电管理系统可以对电能表下发电量冻结指令，并将冻结电量数据抄回进行线损统计和电费核算。
2.2.6 LoRa 通信模块
如前所述，本文对LoRa通信模块进行了重点设计，该模块用于将电能表中的数据发送给售电管理系统，同时接收售电管理系统发送的控制信号实现对电能表的远程控制。
3电能表通信测试
3.1 通信距离测试
通信距离测试，是智能抄表的一个重要的指标，为了显示本文提出的基于LoRa通信技术的单相预付费电能表的通信能力，本次选取了750m、1200m、3400m、4500m和6000m五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8所示。
进行通信距离测试时，发射节点和接收节点中心频率均设置为433MHz，带宽BW设置为125 kHz，传输速率Rb为3125 bps。由于LoRa调制方式本身具有的低速率特性，在进行测试时连续发包数量设置为100个，每个数据包为64个字节长度，发射功率设置为20dBm。接收端通过串口线将接收节点与上位机进行连接，实时将接收到的数据包个数和当前接收的信号强度（RSSI）显示出来。在扩频因子分别为SF8和SF12时实际测试结果如表2所示。
由表2可知，在发射功率为20dBm时，电能表能保证3400m范围内无丢包通信，6000m范围内丢包率小于10%，其丢包率在一定的允许范围内。此外，在测试距离为6000m 时无线通信模块RSSI的值可达-122dBm，进一步验证了其较高的抗干扰能力。
3.2穿透性能测试
由于电能表大多都安装在住房里，这些建筑物的遮挡会对无线通信造成较大的干扰，为了显示电能表通信的抗干扰能力，需要进行穿透性能测试。本次选取宽敞的办公写字楼作为测试场景，分别对穿墙性能和穿楼层性能进行测试。
3.2.1 穿墙性能测试
如图9所示，为电能表通信穿墙性能测试示意图，共8个房间，在房间1放置的电能表发射（Tx）信号，在2～8房间分别放置接收信号的模块（Rx1～Rx7）。发射参数设置为发射中心频率433MHz，发射功率为20dBm，带宽BW125kHz，测试结果如表3所示。
由测试结果可知，电能表可以实现直线方向3堵墙无丢包通信，4堵墙时开始出现丢包，7堵墙时丢包率小于10%，其丢包率在一定的允许范围内。
3.2.2 穿楼层性能测试
穿楼层性能测试选取9个楼层，在第5楼层放置电能表发射（Tx）信号，在1～4楼层分别放置接收模块（Rx4，Rx3，Rx2，Rx1），在6～9楼层分别放置接收模块（Rx5～Rx8）。穿楼层性能测试示意图如图10所示，测试结果如表4所示。
由测试结果可知，该电能表基本上可以实现3层楼无丢包通信，4层楼开始出现丢包，5层楼内可实现丢包率小于10%，其丢包率在一定的允许范围内。进一步可以发现，当接收端位于电能表的下方楼层时通信性能优于同穿楼层数的上方接收端。
4 安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台
4.1 系统方案
系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。
4.2 系统功能
AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。
远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。
水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。
远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数防止作弊，方便快捷。
能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。
在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。
短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。
远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。
4.3 产品选型
5结束语
本文提出了一种基于LoRa通信技术的单相预付费电能表，以满足智能抄表对低成本、强抗干扰能力和远距离通信的需求。 文中首先重点介绍了电能表的LoRa通信模块设计， 对其中的射频电路进行了优化设计与仿真分析；然后给出了电能表总体设计方案，并对电能表各个模块的功能进行了介绍；最后进行了电能表通信测试，包括通信距离测试、穿墙性能测试和穿楼层性能测试。从测试结果可知，电能表能保证6000 m范围内的有效通信；在穿过7 堵墙或5层楼后仍然保持较高的通信成功率。测试结果表明，电能表能很好的满足智能抄表对强抗干扰能力以及远距离通信的需求，再加上LoRa工作在全球免授权频段，部署与运营维护成本低， 所以能很好地满足低成本的需求。随着智能电网的不断发展，这种基于LoRa 通信技术的单相预付费电能表，应用前景广阔。
【参考文献】
[1]严冬，贺开俊，程亚军，王平，李帅永.一种基于 LoRa 通信技术的单相预付费电能表
[2]孙褆，舒开旗，刘建华.电能计量新技术与应用 [M]. 北京：中国电力出版社，2010.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06
作者简介：徐秋霞，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。手机：18702112087（同微信号）；QQ:2885208035；邮箱2885208035@qq.com
