CN210835063U - 一种基于LoRaWAN通信的智能电能表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，包括系统电源、第一主控模块、SPI接口电路以及第二主控模块，所述系统电源连接第一主控模块和第二主控模块用以给第一主控模块和第二主控模块供电；所述第一主控模块通过SPI接口电路与第二主控模块进行连接；所述第一主控模块包括第一主控MCU和LoRa通信模块，所述第一主控MCU与LoRa通信模块相连接，用以实现智能电能表数据远程采集和远程通信；所述第二主控模块包括第二主控MCU、计量芯片以及存储器电路。本实用新型采用LoRa无线的通信技术，基于LoRaWAN通信协议开发的智能电能表，相比传统微功率无线方式，LoRa无线具备高效的前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。

Description

一种基于LoRaWAN通信的智能电能表

技术领域

本实用新型涉及智能电能表领域，特别涉及一种一种基于LoRaWAN通信的智能电能表。

背景技术

在当今信息化时代，物联网技术是世界新一轮技术革命的重要发展方向。国内物联网技术的发展，为电、水、气、热能源表计及系统提供了重大的发展机遇。国网也提出充分应用“大、云、物、移、智”等等现代信息技术，打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网。

其中，LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，属于LPWAN通信技术中的一种，最早由美国Semtech公司采用和推广。而传统的无线系统使用频移键控(FSK)调制作为物理层，因为它是一种实现低功耗的非常有效的调制，但其调制方式很难兼顾低功耗和远距离的双向要求，而LoRa是基于线性调频扩频调制，它保持了FSK调制相同的低功耗特性，同时增加了通信距离。LoRa的最大特点就是在同样的功耗条件下比其它无线方式传播的距离扩大3-5倍，实现了低功耗和远距离的统一。LoRa的传输距离范围长达15至20公里，低功耗的特性延长了电池使用寿命，免牌照的频段、基础设施以及节点/终端的低成本，以上特性都使LoRa的使用成本大幅降低，低功耗、低成本、远距离这些特性，使得LoRa通信技术非常适合于能源计量行业的应用。

同时，LoRaWAN是基于LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构，如果按协议分层来说LoRaWAN就是MAC层，LoRa是物理层。并且LoRaWAN协议针对低功耗、电池供电的传感器进行了优化，包括了不同级别的终端节点以优化网络延迟和电池寿命间的平衡关系。它是完全双向的，由安全专家构建确保了可靠性和安全性。

那么，如何利用LoRa这一物联网通信技术和LoRaWAN通信协议，设计开发一款可接入物联网的智能电能表是目前亟待解决的问题。

传统无线智能电能表主要采用微功率无线模块，而采用微功率无线的电表在现场存在通信距离短、通信效果差、兼容性差等问题，主要表现在：

1、通信距离短。相比LoRa而言，通常采用FSK调制方式，其传输距离有限，不同的地理环境对通信距离影响较大，由于多路径产生的通信影响，微功率无线模块附近的障碍物较多时，通信的距离和可靠性会减少。

2、气候条件影响大。空气干燥时通信距离较远，空气潮湿(特别是雨、雾、雪天气)通信距离较近，在微功率无线模块容许的工作环境温度范围内，温度升高会导致发射功率减少及接收灵敏度降低，从而减少了通信距离。

3、电磁环境影响大。直流电机，高压电网、开关电源、电焊机、高频电子设备、电脑单片机等设备对微功率无线通信模块的接收灵敏度产生影响，通信距离会有不同程度的衰减。

4、兼容性差。各表厂选用不同的微功率无线模块，采用私有通信协议，目前智能做到电表之间的互联互通，但是无法做到物联网设备的互联互通。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本实用新型提供了一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，采用LoRa无线的通信技术，实现了对智能电能表数据的采集以及控制，LoRa是一种线性扩频技术，最大的技术特点是点对点的远距离数据通信，最大链路预算可达168dB，通信频率在1GHz以下，片内PA输出最大功率为20dB。LoRa无线具备高效的前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。

本实用新型的技术方案：

一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，包括系统电源、第一主控模块、SPI接口电路以及第二主控模块，

所述系统电源连接第一主控模块和第二主控模块用以给第一主控模块和第二主控模块供电；

所述第一主控模块通过SPI接口电路与第二主控模块进行连接；

所述第一主控模块包括第一主控MCU和LoRa通信模块，所述第一主控MCU与LoRa通信模块相连接，用以实现智能电能表数据远程采集和远程通信；

所述第二主控模块包括第二主控MCU、计量芯片以及存储器电路，所述计量芯片的输入端连接电流采样电路和电压采样电路，用以进行电能计量，所述计量芯片的输出端连接第二主控MCU并将电能计量数据传输到第二主控MCU中，所述第二主控MCU与存储器电路相连，用以将计量数据传输到存储器电路中的存储器进行存储。

所述第一主控模块还包括第一RS485通信电路、USB接口电路、红外通信电路、蓝牙通信电路、负荷开关控制电路、ESAM电路、第一存储器电路、抄表电池电路和人机交互电路，所述第一RS485通信电路、USB接口电路、红外通信电路、蓝牙通信电路、负荷开关控制电路、ESAM电路、存储器电路、抄表电池电路和人机交互电路均与第一主控MCU相连接，所述第一RS485通信电路通过RS485总线实现智能电能表第一主控模块的数据有线远程传输，所述红外通信电路采用38KHz调制红外方式近距离读取电能表数据信息，所述USB接口电路方便对智能电能表进行本地升级，所述蓝牙通信电路实现智能电能表与台区采集器以及外置传感器的蓝牙通信。

所述负荷开关控制电路由第一主控MCU给出脉冲电平控制信号，维持继电器平时状态为常闭，当发生跳闸条件时，第一主控MCU给出低电平，电流流经继电器线圈，产生磁力，将触点吸合，从而改变继电器状态，达到继电器分合闸目的。

所述ESAM模块用于关键数据的加密，所述第一存储器电路包括在第一主控MCU外部外挂的一片32Mbyte Flash和一片512Kbit EEPROM，所述抄表电池采用锂离子电池，用于在智能电能表处于停电状态时给第一主控模块供电，确保第一主控模块正常工作，所述人机交互电路包括点阵式LCD显示、轮显按键和指示灯。

所述第二主控模块还包括与第二主控MCU连接的时钟模块、第二存储器电路和第二RS485通信电路，所述时钟模块采用带内置温度补偿电路的8025T时钟芯片，时钟模块外接时钟电池，单独为8025T时钟芯片提供电源。

所述第二存储器电路包括在第二主控MCU外部外挂的一片32Mbyte Flash和一片512Kbit EEPROM，所述第二RS485通信电路通过RS485总线实现智能电能表第二主控模块的数据有线远程传输。

所述LoRa通信模块包括与第一主控MCU通过SPI总线接口相连接的射频芯片，所述射频芯片通过发射电路和接收电路与射频开关相连，射频开关上设置射频天线。

所述射频芯片采用semtech公司的SX1278射频芯片，所述射频开关采用AS179-92LF。

所述第一主控MCU选用STM32F207VET6单片机，所述第二主控MCU选用瑞萨公司型号为R7F0C004M2DFB的16位单片机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、采用LoRa无线的通信技术，基于LoRaWAN通信协议开发的智能电能表，相比传统微功率无线方式，LoRa无线具备高效的前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。

2、采用LoRaWAN星形网络架构，可以直接与LoRaWAN网关进行通信，相比其余无线自组网协议而言，无需中继路由转发，降低了网络链路成本，提高了与服务器之间的交互速度，此方案具有更好的实时性。

3、采用物联网通用的LoRaWAN协议，可便于接入LoRa物联网平台，也可便于接入各类LoRaWAN传感器，如烟雾报警器等。

附图说明

图1为本实用新型整体结构框图；

图2为本实用新型LoRa通信模块电路原理框图；

图3为本实用新型LoRa通信模块数据帧的格式示意图；

图4为本实用新型电能表的通信原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1和图2，本实用新型提供一种技术方案：

一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，采用LoRa无线的通信技术，实现了对智能电能表数据的采集以及控制，LoRa是一种线性扩频技术，最大的技术特点是点对点的远距离数据通信，最大链路预算可达168dB，通信频率在1GHz以下，片内PA输出最大功率为20dB。LoRa无线具备高效的前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。

基于LoRaWAN通信的智能电能表主要由第一主控模块2、第二主控模块4、SPI接口电路3和系统电源1组成，第一主控模块2与第二主控模块4之间通过SPI接口电路3进行电气连接，系统电源1为各功能模块提供所需电源，其内部框图如图1所示。

第一主控模块2主要实现人机交互、多元化高速通信、远程和本地在线升级、负荷开关控制等功能，第二主控模块4主要实现电能计量、负荷检测、计量数据存储、RS485通信等功能。

所述第一主控模块包括第一主控MCU 5、第一RS485通信电路6、LoRa通信模块7、USB接口电路8、红外通信电路9、蓝牙通信电路10、负荷开关控制电路11、ESAM电路12、第一存储器电路13、抄表电池电路14和人机交互电路15。

第一主控MCU 5选用STM32F207VET6，是一款基于ARM 32位Cortex-M3内核的CPU，内置自适应实时加速器可以让程序在Flash中以最高120MHz频率运行，实现零等待状态的运行性能，支持高速模式的USB OTG，具有更低的动态功耗，非常丰富的高性能外设。

第一RS485通信电路6和红外通信电路9为智能电能表常见通信电路，第一RS485通信电路6通过RS485总线，实现智能电能表有线远程数据的传输，红外通信电路9采用38KHz调制红外方式，可以近距离读取电能表数据信息。

LoRa通信模块7可实现智能电能表数据远程采集，采用semtech公司的SX1278射频芯片70，通过SPI总线接口与第一主控MCU 5连接，工作频率为410M-525MHz，采用半双工通信模式，接收电流最低为11mA，发射电流120mA@20dBm，LoRa通信模块主要由发射电路71和接收电路72组成，通过射频开关73实现发射电路71、接收电路72与射频天线74的连接。射频开关73采用AS179-92LF，与第一主控MCU 5的IO口直接控制的方式。SX1278射频芯片70的DI0～DI4为软件功能引脚，连接到第一主控MCU 5的中断引脚，通过配置SX1278射频芯片70内部寄存器，实现不同的功能，如接收完成、发送结束、CAD检测完成等。

蓝牙通信电路10支持一主多从工作模式，能被(采集器、台体自动线、手持设备)主机连接的同时，还可与多个从机(外置负荷开关、报警装置、各类外置传感器)建立并发数据连接。

USB接口电路8方便程序本地升级。

负荷开关控制电路11由第一主控MCU 5给出脉冲电平控制信号，维持继电器平时状态为常闭，当发生跳闸条件时，第一主控MCU 5给出低电平，电流流经继电器线圈，产生磁力，将触点吸合，从而改变继电器状态，达到继电器分合闸目的。

ESAM电路12用于关键数据的加密模块，为国网智能电能表必备模块。

第一存储器电路13为保证数据存储的稳定可靠，在第一主控MCU 5外部外挂一片32Mbyte Flash和一片512Kbit EEPROM。

抄表电池电路14的抄表电池采用锂离子电池，电能表在上电状态，由系统电源1给电能表供电，当电网停电时，电能表处于停电状态，系统电源1无法给电能表供电，此时，则由抄表电池给第一主控模块2供电，确保第一主控模块2正常工作。

人机交互电路15包括点阵式LCD显示、轮显按键和指示灯。

第二主控模块4主要包括：第二主控MCU 16、计量电路、时钟模块18、第二存储器电路20和第二RS485通信电路17。

第二主控MCU 16选用瑞萨公司型号为R7F0C004M2DFB的16位单片机的平台进行开发。

计量电路包括计量芯片23、电压采样电路22和电流采样电路21，其中计量芯片23采用高精度宽动态范围的电能表专用计量芯片，可提供正反向有功、无功和视在功率等数据，具有潜动、起动和二次侧互感器开路、短路检测功能。电压采样电路22和电流采样电路21中采样电阻采用温漂10PPM、0.1％精度电阻，增强静电抗干扰能力。

时钟模块18外接RTC实时时钟电路，采用带内置温度补偿电路的8025T时钟芯片，内部时钟端子输出频率为1Hz。为确保时钟准备，外接时钟电池19，单独为时钟芯片提供电源，在电能表断电情况下，仍可维持时钟正确计时。

第二存储器电路20为保证数据存储的稳定可靠，在第二主控MCU 16外部外挂一片32Mbyte Flash和一片512Kbit EEPROM。

第一主控模块2和第二主控模块4中实现分布式大容量数据存储功能，能确保重要数据的安全可靠，能够至少可存储1年的带时标的电能计量数据，如：电能量、电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、有功总电能、无功总电能等的冻结数据，为数据追溯以及大数据应用提供了基础支撑数据，以更好地满足用户的精细化用电管理需求。

同时，本实用新型采用LoRaWAN通信协议实现智能电能表数据采集和控制，与LoRaWAN网关进行通信，组成星形网络架构，定义了物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)和应用层(APP)，其数据帧格式如图3所示：

LoRaWAN网关通过LoRa无线方式下发消息发送至LoRaWAN电能表，LoRa通信模块接收到网关发送的无线消息时，首先进行LoRaWAN协议解析，判断其是否为目标地址，为目标地址时再逐步提取出MAC帧载荷和电能表帧载荷，将解析出来的电能表帧载荷通过连接的串口发送至第一主控MCU，电能表第一主控MCU串口接收到数据并进行处理；否则，不为目标地址时不进行回应。如图4所示。

本实用新型采用LoRa无线的通信技术，基于LoRaWAN通信协议开发的智能电能表，相比传统微功率无线方式，LoRa无线具备高效的前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。采用LoRaWAN星形网络架构，可以直接与LoRaWAN网关进行通信，相比其余无线自组网协议而言，无需中继路由转发，降低了网络链路成本，提高了与服务器之间的交互速度，此方案具有更好的实时性。采用物联网通用的LoRaWAN协议，可便于接入LoRa物联网平台，也可便于接入各类LoRaWAN传感器，如烟雾报警器等。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，包括系统电源、第一主控模块、SPI接口电路以及第二主控模块，

所述系统电源连接第一主控模块和第二主控模块用以给第一主控模块和第二主控模块供电；

所述第一主控模块通过SPI接口电路与第二主控模块进行连接；

所述第一主控模块包括第一主控MCU和LoRa通信模块，所述第一主控MCU与LoRa通信模块相连接，用以实现智能电能表数据远程采集和远程通信；

所述第二主控模块包括第二主控MCU、计量芯片以及存储器电路，所述计量芯片的输入端连接电流采样电路和电压采样电路，用以进行电能计量，所述计量芯片的输出端连接第二主控MCU并将电能计量数据传输到第二主控MCU中，所述第二主控MCU与存储器电路相连，用以将计量数据传输到存储器电路中的存储器进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述第一主控模块还包括第一RS485通信电路、USB接口电路、红外通信电路、蓝牙通信电路、负荷开关控制电路、ESAM电路、第一存储器电路、抄表电池电路和人机交互电路，所述第一RS485通信电路、USB接口电路、红外通信电路、蓝牙通信电路、负荷开关控制电路、ESAM电路、存储器电路、抄表电池电路和人机交互电路均与第一主控MCU相连接，所述第一RS485通信电路通过RS485总线实现智能电能表第一主控模块的数据有线远程传输，所述红外通信电路采用38KHz调制红外方式近距离读取电能表数据信息，所述USB接口电路方便对智能电能表进行本地升级，所述蓝牙通信电路实现智能电能表与台区采集器以及外置传感器的蓝牙通信。

3.根据权利要求2所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述负荷开关控制电路由第一主控MCU给出脉冲电平控制信号，维持继电器平时状态为常闭，当发生跳闸条件时，第一主控MCU给出低电平，电流流经继电器线圈，产生磁力，将触点吸合，从而改变继电器状态，达到继电器分合闸目的。

4.根据权利要求2所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述ESAM模块用于关键数据的加密，所述第一存储器电路包括在第一主控MCU外部外挂的一片32Mbyte Flash和一片512Kbit EEPROM，所述抄表电池采用锂离子电池，用于在智能电能表处于停电状态时给第一主控模块供电，确保第一主控模块正常工作，所述人机交互电路包括点阵式LCD显示、轮显按键和指示灯。

5.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述第二主控模块还包括与第二主控MCU连接的时钟模块、第二存储器电路和第二RS485通信电路，所述时钟模块采用带内置温度补偿电路的8025T时钟芯片，时钟模块外接时钟电池，单独为8025T时钟芯片提供电源。

6.根据权利要求5所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述第二存储器电路包括在第二主控MCU外部外挂的一片32Mbyte Flash和一片512Kbit EEPROM，所述第二RS485通信电路通过RS485总线实现智能电能表第二主控模块的数据有线远程传输。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述LoRa通信模块包括与第一主控MCU通过SPI总线接口相连接的射频芯片，所述射频芯片通过发射电路和接收电路与射频开关相连，射频开关上设置射频天线。

8.根据权利要求7所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述射频芯片采用semtech公司的SX1278射频芯片，所述射频开关采用AS179-92LF。

9.根据权利要求7所述的一种基于LoRaWAN通信的智能电能表，其特征在于，所述第一主控MCU选用STM32F207VET6单片机，所述第二主控MCU选用瑞萨公司型号为R7F0C004M2DFB的16位单片机。

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