基于PA功率放大器的LoRa通信智能電能表的設(shè)計(jì)實(shí)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?；谝陨媳尘?，設(shè)計(jì)了一種基于PA功率放大器的LoRa通信智能電能表，重點(diǎn)介紹了LoRa通信模塊設(shè)計(jì)方案，對(duì)PA功率放大器電路以及LoRa通信模塊電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后對(duì)電能表的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述，最后對(duì)表計(jì)整體功能和通信性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，電能表無障礙通信距離可達(dá)8 km，在居民小區(qū)內(nèi)通信距離可達(dá)500 m，抗干擾能力強(qiáng)，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(yuǎn)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(jìn)，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(hù)工作量大、通信速率低等缺陷，針對(duì)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(jì)一種遠(yuǎn)距離、低成本且施工成本低（無需布線）的無線通信電能表勢(shì)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(yùn)營維護(hù)成本低，具有數(shù)據(jù)安全可控、抗干擾能力強(qiáng)以及通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛運(yùn)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(jì)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(yuǎn)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(jì)，電能表無障礙通信距離可達(dá)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(jì)

1.1? ? 通信模塊選取

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

根據(jù)設(shè)計(jì)的中心頻點(diǎn)470 MHz，選擇采用利爾達(dá)科技集團(tuán)股份有限公司的LSD4RF-2F717N30無線模塊，工作頻點(diǎn)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(diǎn)。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(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)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(kuò)頻調(diào)制帶寬（BW）、擴(kuò)頻因子（SF）和糾錯(cuò)率（CR）。擴(kuò)頻調(diào)制的另一優(yōu)點(diǎn)就是，每個(gè)擴(kuò)頻因子均呈正交分布，因而多個(gè)傳輸信號(hào)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(dá)32 dB，功能如圖1所示。

通過SKY65338-21芯片可將信號(hào)發(fā)射功率從原來LSD4RF-

2F717N30的20 dB提升到30 dB。

1.3? ? 設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)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(duì)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(dòng)、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(yuǎn)。

1.3.1? ? 設(shè)計(jì)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(jìn)行穩(wěn)壓后提供給LoRa模塊和PA芯片電源，原理設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

1.3.2? ? PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)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(hào)層，上層走數(shù)字信號(hào)，下層走模擬信號(hào)，這樣設(shè)計(jì)的好處是抗干擾能力強(qiáng)。PCB設(shè)計(jì)主要考慮到信號(hào)發(fā)射電路是高頻電路，在高頻電路中，由于信號(hào)頻率較高，波長跟傳輸線長度相當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射，導(dǎo)致原信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的50 Ω，在射頻前端電路各射頻單元之間需進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，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(jì)

2.1? ? 整體方案設(shè)計(jì)

電能表工作時(shí)，電壓、電流經(jīng)傳感器件轉(zhuǎn)換為采樣信號(hào)，通過濾波處理后送入計(jì)量芯片，計(jì)量芯片將能量信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)送到CPU進(jìn)行電量脈沖采集、電量累計(jì)和各項(xiàng)計(jì)算分析處理，其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存貯器中;同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外、RS485、LCD顯示等功能處理。溫度補(bǔ)償電路的硬時(shí)鐘電路，應(yīng)保證時(shí)鐘在標(biāo)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(jì)，數(shù)據(jù)采用多重備份，確保計(jì)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(jì)

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(chǔ)器和4 kB RAM，集成LCD驅(qū)動(dòng)、帶溫補(bǔ)的RTC時(shí)鐘、ADC以及UART、I2C、SPI、7816等通用外設(shè)接口。通過強(qiáng)大的計(jì)算能力和處理事件的能力將其他模塊連接起來形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，完成電能表的電能計(jì)量、數(shù)據(jù)顯示、繼電控制、預(yù)付費(fèi)以及無線通信的功能。

2.2.2? ? 電能計(jì)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(jì)量功能，高精度ADC可以在8 000：1范圍內(nèi)保證0.1%的計(jì)量誤差。同時(shí)具備兩路有功和無功電能的計(jì)量功能，計(jì)量芯片將采集到的電壓和電流信號(hào)通過增益放大器進(jìn)行放大，接著通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(jì)是為了方便現(xiàn)場的安裝。紅外采用900 nm紅外對(duì)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(jì)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(gè)電能表使用，電池供電主要是為了保證電能表在下電后運(yùn)行正常和保證時(shí)鐘電路的正確計(jì)時(shí)。

2.3? ? 軟件功能設(shè)計(jì)

2.3.1? ? 電能計(jì)量

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

2.3.2? ? 費(fèi)率和時(shí)段

具有分時(shí)計(jì)量功能，有功電能量應(yīng)對(duì)尖、峰、平、谷等各時(shí)段電能量及總電能量分別進(jìn)行累計(jì)、存儲(chǔ);不應(yīng)采用各費(fèi)率或各時(shí)段電能量算術(shù)加的方式計(jì)算總電能量。

2.3.3? ? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

能存儲(chǔ)上12個(gè)結(jié)算日的單向或雙向總電能和各費(fèi)率電能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時(shí)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(shí)刻，比如掉電、過壓、過流、開罩殼等。

2.3.5? ? 通信功能

實(shí)現(xiàn)LoRa、RS485和紅外通信。

2.4? ? 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

3? ? 通信測(cè)試分析

通信距離和穿透能力是智能抄表的重要指標(biāo)，所以需要對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

3.1? ? LoRa通信參數(shù)設(shè)計(jì)

LoRa通信參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

3.2? ? 通信距離測(cè)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(gè)不同通信距離的場景進(jìn)行通信距離測(cè)試。通信距離測(cè)試示意圖如圖6所示。

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

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

3.3? ? 穿透能力測(cè)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(jìn)行穿透力測(cè)試。通信穿透測(cè)試示意圖如圖7所示。

測(cè)試結(jié)果如表3所示。

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

4? ? 結(jié)語

測(cè)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(dá)8 km，在居民小區(qū)內(nèi)通信距離可達(dá)800 m，傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，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(xiàn)]

[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(yán)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(fèi)電能表[J].自動(dòng)化與儀表，2018，33（8）：5-9.

[3] 李時(shí)杰，何怡剛，羅旗舞，等.基于LoRa的電氣設(shè)備溫濕度監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)[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(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，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(jí)工程師，研究方向：智能儀器儀表。