・175・
设计与应用
计算机测量与控制.2021. 29 (4)Computer Measurement & Control
文章编号：1671 - 4598(2021)04 - 0175 -05
DOI ：10. 16526/j. cnki 11 — 4762/tp. 2021. 04.035
中图分类号:TP274
文献标识码:A
冯 驰吴丽莎丁 蕾1，陈 山1，陈智鸣2
(1 -国网安庆供电公司，安徽安庆246000； 2.安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖241000)
摘要：针对传统通信技术存在经济需求高、易被外界干扰、功率损耗高等问题，设计了一套非常适用的解决方案，该方案基 于LoRa 自组网无线传输技术，与A/D 用电信息采集系统结合，组成一套很好的方案”通过LoRa 扩频技术和低功耗技术来解决
远距离无线通信易受到干扰和功率损耗高的问题，利用A/D 用电信息采集系统解决大数据环境下传统采集方法准确率低的问题； 经过仿真实验结果表明，该方案LoRa 无线传输技术的远距离通信和低功耗能够实现，在大数据环境下A/D 用电信息采集系统的 准确率比WEB 自动采集程序高达3%。
关键词：LoRa 无线通信”用电信息”电能表” A/D 数据采集系统；信道
Design of Power Consumption Information Acquisition System Based on
Lora ad Hoc Network Wireless Transmission Technology
Feng Chi 1 , Wu Lisha 1 , Ding Lei , Chen Shan 1 , Chen Zhiming 2
(1. State Grid Anqing Power Supply Company , Anqing 246000 , China ；
2. Institute of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic Univerisity , Wuhu 241000 , China)
Abstract : Aiming at the problems of high economic demand , easy to be interfered by the outside and high power loss in traditional
communication technology , this study designs a set of very suitable solutions , which is based on Lora ad hoc network wireless trans mission technology and combined with A/D power consumption information acquisition system to form a set of good solutions. Lora
spread spectrum technology and low power consumption technology are used to solve the problems of long 一 distance wireless commu
nication vulnerable to interference and high power loss , and A/D power consumption information acquisition system is used to solve the problem of low accuracy of traditional acquisition methods in big data environment. The simulation results show that the long 一 distance communication and low power consumption of Lora wireless transmission technology can be realized , and the accuracy rate of
A/D power consumption information acquisition system is upto3% higher than that of Web automatic acquisition program in big data environment.
Keywords : Lora wireless communication ； electricity consumption information ； electric energy meter ； A/D data acquisition sys-
tem ； channel
0引言
电力是人们生活中的必需品，科技的不断进步使得人 们对于电力的需求量也越来越大。为了满足人们的需求,
电网规模越来越大。然而随着城市的不断扩建和高层小区
的不断增多，现有的短距离无线查表设备已经无法满足远 距离的查表需求12］。如何设计岀远距离无线传输技术的用 电信息采集系统，对于社会稳定以及国家经济持续发展具
有重大意义。
为了解决当今通信技术上存在的问题，文献［3］提岀 了一种RS485通信方式⑶，该方法虽然操作简单，便于抄
表，但是需要专门布线连接，大范围布线经济需求高，且
易被外界干扰，因此不太实用。文献［4］公开了一种依靠
ZigBee 等无线通信技术4 ，虽然能在一定程度上减少布线
成本，但是其通信距离短，且功率损耗大，所以也不适合
远距离的数据通信。文献［5］采用GSM 、GPRS 的无线传 输技术［5］，虽然能远距离精准安全传输信息，但该方法需
要的硬件环境很高，维护成本高，不利于大范围使用。经
过总结和思索，本研究设计了一套相宜的解决方案，将如
下阐明。
1总体方案设计
据上文所述，本研究设计了基于LoRa 自组网无线传输 技术的用电信息采集系统方案，通过LoRa 无线通信与
RS485通信方式配合A/D 采样技术，实现用电数据信息采
集快、 准确率高、 远距离传输、 低功耗等优点。 本方案的
收稿日期：2020 -08 - 19；修回日期：2020 - 09 - 18。
作者简介：冯驰(1969 -)，男，江苏张家港人，大学本科，高级工程师，主要从事电力信息化方向的研究。
引用格式：冯驰，吴丽莎，丁蕾，等.基于LoRa 自组网无线传输技术实现用电信息采集系统设计计算机测量与控制，2021,29
(4)175 — 179.
・176・计算机测量与控制第29卷
总体结构框架如图1所示。
数据通信 L
LoRa 无线
通信
数据处理丨与应用L
1数据库|其他系统| I 交换机H ----T 路由器|
以太网 ------ RS485
通信
些技术相比，LoRa 无线传输技术具有较大的优势。关于无
线通信技术比较如表1 所示。
表1 无线通信技术对比表
通信技术
工作频段
传输距离/m
功耗/mW
蓝牙
2. 4 GHz 2〜10
100ZigBee
2. 4 GHz 10 〜100
150LoRa 137 〜1 GMHz
8 k
100
数据采集
图1方案总体结构图
匕
匕三X
厶冃匕
匕三K
厶冃匕
匕三X
厶冃匕
ei矽钢片匕三K
u r
厶冃从图1可知，方案总体结构可分为3个模块。数据采集
模块主要是通过智能电能表通过A/D 数据采集系统采集电 流、电压、功率等各种类型的用电信息，之后传达至采集 器，再到集中器。而专变用户则通过特殊采集方法传达至 专变集中器。集中器和专变集中器通过LoRa 无线通信和
RS485通信两种不同通信方式，满足不同用户的需求，传
输至以太网络中。
数据通信模块的作用是数据通信网络桥接数据采集模 块和数据处理与应用模块，中起关键作用的部分是路由器
和交换机［］。路由器会将不同用电数据信号传输至交换机,
再由交换机传输至数据库服务器。数据处理与应用模块主 要内容是存储数据和处理数据以及应用，这也正是其他系
统的作用。
2关键技术设计
电能是国家经济发展和社会稳定的重要能源，因此用 电信息远距离通信技术需要不断完善。为了解决传统通信
技术和用电信息采集系统存在的缺陷，本研究采用LoRa 无
线传输技术和A/D 数据采集技术运用至智能电能表结构中, 下面来分别阐述着两种关键技术。关于智能电能表内部结 构如图2 所示。 2
*2. 1 LoRa 无线传输技术的设计语音调度系统
在智能电网环境下，无线数据传输技术多种多样，例如GSM 、GPRS 、蓝牙、ZigBee 等，它们各有利弊。与这
图2智能电能表内部结构图
LoRa 是一种低功耗远距离通信技术，从表1可以看
出，对比蓝牙和ZigBee 无线传输技术LoRa 传输距离非常
远，功率的损耗与蓝牙无线传输技术一样低。而且LoRa 无
线通信技术采用AES —128加密方式能够很好的保证网络信 息传输的安全可靠。因此LoRa 无线传输技术很适合运用在 水表、电表和煤气表等无线集抄领域［「10］。
2. 1 1抗干扰技术
为了解决无线传输容易被干扰的问题，本研究采用Lo-
Ra 扩频技术，该技术是将频谱扩频通信技术与GFSK 调制
技术相结合的一种新型调制解调技术。采用特殊的扩频技 术，使同一网络中的不同终端设备使用同一频率同时发送 数据，只要使用不同的扩频序列，数据就不会相互干 扰［114］。扩频通信技术的流程步骤为：首先数据信号传输
至调制器，调制后的信号通过信道传达至解调器解调；最
后将信息还原。在扩频通信的过程中，利用伪随机序列发 生器分别连接在调制器和解调器上，对数据信号进行延展 和扩频信号解扩。 具体过程如图3 所示。
图3扩频通信技术流程图
关于LoRa 扩频技术的传输速度可用符号速率和码片速 率表示，通过两速率之比得到扩频因子［5］ (SF, spreading
factor)，关于扩频因子的定义式为：
其中：SF 为扩频因子，V c 为符号速率，R c 为码片速
率。通过SF 的大小来表示符号转换成码片的数目，可以清 楚地表现误码率，分析系统的抗干扰能力。
与LoRa 扩频技术传输速率有关参数还有数据信号的带 宽，增大信号的带宽，数据传输速率就会提高［6］，该原理 的表达式为：
第4 期冯 驰，等：基于LoRa 自组网无线传输技术实现用电信息采集系统设计• 177 •
其中：BW 表示信号的带宽。由于误码率这个参数能够直接影响数据传输速率，为 了降低误码率，本研究通过前向纠错技术进行系统优化。
前向纠错技术是通过在程序中编入一列纠错码，在出现错 误码的时候自动进行改正，用来降低信号的误码率。在远 距离数据传输时，距离的不断增加，传输信号的错码率也
会不断增大，因此使用前向纠错技术是非常有必要的口719。
0.10低功耗技术
经过以上两种技术解决了远距离数据传输容易被干扰
的问题，接下来就是低功耗的技术设计。关于低功耗技术
在无线传输技术这一块非常重要，电源的供电决定着智能 电能表中其他系统的健康运行，通信系统的低功耗决定着
整个智能电能表的使用时间和健康质量［⑵0。关于LoRa 无
线通信模块的低功耗技术主要取决于主控芯片和射频 芯片。
1)主控芯片：主控芯片占能耗的一部分。当系统运行
时，尝试关闭未使用的外设和插针，如下拉或下拉。当没 有数据信号需要接收时，可以把主控芯片切换到相对低功
耗的模式。此外，还可以通过软件进行优化。
0)射频芯片：射频芯片占能耗的另外一部分。通常情
况下，传输信号过程所消耗的能量要高于接收信号过程。 但是，当数据不被传输时，会造成能耗和浪费。因此，在
功率优化中，一方面可以通过增加分组间隔和降低传输速 率来降低功耗。另一方面，可以通过软件编程将射频模块
设置为相应的低功耗模式，以节省能耗。
2.2 A/D 数据采集技术的设计
在信息大数据环境下，文献［01］提出了一种WEB 自
动采集程序的采集方法［1］，这种方法虽然采集范围广，且用 时很快，但是依靠系统自动筛选，准确率很低。为了解决这 种问题，本研究选用基于A/D 转换技术的数据采集系统。
A/D 转换技术的实现取决于A/D 转换器的性能，本研
究将采用逐次比较式A/D 转换器中的ADC0809芯片。
ADC0809芯片是8位采样频率，通过地址码选择其中一种信
道进行A/D 转换。关于其管脚示意图如图4所示。
图4 ADC0809芯片管脚示意图
巩―1
合金加工28-IN,in 4-
227-IN 1
巩—
326T 叫
IN 6_
425-ADDA IN7—524-ADDB start —623-ADDC EOC —
7ADC0809芯片
22-ALE
D b -
821-d 7OE —920-d 6CLK —1019-d 5Ucc 一1118-d 4
Uref (+)—
1217-Uref ㈠GND —
—
1316-D o 14
15
-D ：
如图4所示，ADC0809芯片的两旁一共有08条管脚。
其中， IN0 〜IN7 是 8 个 信 号 输 入 端； ADDA 、 ADDB 和
ADDC 是3个不同的地址码输入端；Start 是数据转换启动
端；EOC 是数据转换结束端；ALE 是地址锁存允许信号 端；D7〜DO 是8路模拟量输出端；OE 是数据输出允许信 号；CLK 是时钟信号；Vcc 是+ 5V 的电源；ref ( + )与
ref (—)是基准电压；GND 是接地；关于ADC0809芯片
的内部结构如图5 所示。
图5
ADC0809 芯片的内部结构图
如图5所示，ADC0809芯片具有8个信号通道，在经
过地址将信号译码后通过比较器到A/D 转换器进行转换,
在转换情况状态信号处于上升沿时，就必须使输出信号变
为高电平，控制器接收sat 信号就会使三态锁存缓冲器处 于开始状态。关于具体的ADC0809芯片工作信号时间图如
图6 所示。
ALE
start
EOC
图6 ADC0809芯片工作信号时间图
从图6中可知，ADC0809芯片信号输入过程中start 信
号与ale 允许输入信号同时进行，此为信号通道选择过
程，关于A/D 转换数据的传输，可以使用三种方式［22⑶。
1)定时传送方式：通过设计一个延时子程序。一旦延
迟时间到了，转换必须已经完成，然后才能进行数据传输
工作。
0)查询方式：通过在A/D 转换芯片中设计一个状态信
号指示器，可以查询转换的进程。比如我们可以通过查询 来测试EOC 的情况，这样做是为了确认转换是否完成，方 便立刻进行数据传输工作。
3)中断方式：通过将表明转换结束的状态信号 (EOC )改造为中断请求信号，可以在中断情况下立即进行
数据传输工作。
・178・计算机测量与控制第29卷
不管上述方法如何，一旦确定转换完成，就可以通过指令来传输数据。首先，当地址被发送并且信号有效时, OE信号有效，并且转换后的数据经过CPU到达LoRa通信模块。
3实验与分析
为了证明本研究所采用的方案可靠实用，下面对LoRa 无线通信技术和A/D数据采集系统这两种技术分别进行实验测试。
3.1LoRa无线传输技术仿真设计
为了验证LoRa无线传输技术能够远距离传输且功率损耗低，针对实际情况本研究设计出LoRa无线通信模块结构如图7所示。
图7LoRa无线通信模块结构图
如图7所示，当A/D采集系统采集到用电数据时，系统由接受数据模式切换到发送数据模式，将用电数据进行编码，经过数据传输线到达天线进行空中发射。若有信号输入，发射完成立刻转换为接收数据模式；若无信号输入，则进入休眠模式。
在有了LoRa无线通信模块硬件和软件的基础后，下面将进行对远距离抗干扰技术和低功耗技术进行仿真测试。
3.1.1抗干扰技术仿真测试
在远距离通信过程中，周围环境的干扰会严重影响通信效果，因此本次实例测试尽量选取干燥空旷的环境。本次测试采取不同通信距离，在相同传输速率和带宽的条件下，对SF8和SF12两种不同的扩频因子对通信性能进行10次测试。测试结果如表2所示。
由表2可见，在4500m范围内，本研究所采用的基于LoRa无线通信技术传输无丢包。在8千米范围内，高也只 有9%的丢包率，完全证实了LoRa能够适用于通信8km 距离。此外，在8km范围内信号强度的值可达一148dBm，验证了本方案设计LoRa通信性能具有较高的抗干扰能力。3. 1.2低功耗技术仿真测试
由上述2.1.2部分得知，LoRa无线通信模块的低功耗技术主要取决于主控芯片和射频芯片。为了设计出低功耗的LoRa通信模块，本研究设计出休眠模式、接受数据模式
表2LoRa通信性能测试结果
测试距离
／m
扩频因子测试次数
信号强度
/dBm
丢包率
/% 1500
SF810—52〜650
SF1210—54〜400 3000
SF810―89〜900
SF1210―86〜840 4500
SF810―99〜1060
SF1210一102〜1130 6000
SF810—105〜1181
SF1210一111〜1253 8000
SF810—126〜1467
SF1210—124〜1489
和发送数据模式3种LoRa工作模式，通过用数字万能表来测试对数据包传输不同周期的损耗情况，测试结果如表3所示。
陈蓉 海藻表3LoRa通信模块损耗测试结果
周期休眠时间功耗/mA用时/h用时/年
3s 2.72s13.087410/
30s29.70s 1.32735.85/
1min59.60s0.66/0.2
1h3599s0.12/ 5.6
1t23.9h0.01/9.9
如表3所示，当传输数据包周期为1分钟之内，LoRa 通信模块功耗较高但均可以使用很长时间。当传输数据包周期为1小时和1天时，LoRa通信模块功耗非常低，可以用大约5年和10年的时间。通过实验结果证明了本方案设计的LoRa通信性能拥有低功耗的优点。
3.2A/D数据采集系统仿真测试
为了实现基于ADC0809芯片的数据采集系统能够运行，首先需要相关的软件编程语言。关于数据采集程序流程如图8所示。
图8数据采集程序流程图
在A/D数据采集系统程序编写完成之后，为了验证本研究所采用的A/D采样技术比文献［21］中的WEB自动采集程序准确率要高，下面将进行仿真对比。本研究分别A/D采样技术和WEB自动采集程序对某城市高层小区用户
第4 期冯 驰，等：基于LoRa 自组网无线传输技术实现用电信息采集系统设计・179・
的用电信息进行采集，其中数据量最大为2TB ，通过对比 采集数据的准确率， 其结果如图9 所示。
楼梯防护栏杆100
99989796%、<；棒樂
95
90
0 0. 5 1. 0 1. 5数据量/TB
2.0
图9 不同采集方法准确率对比图
如图9所示，在数据量0〜0.5 TB 范围内，两种采集
方法均能100%准确采集。在数据量0.5〜10 TB 范围内,
WEB 自动采集程序刚开始准确率依然是100% ，然而随着
数据量的增大，两种方法准确率均处于下降趋势，在数据
量达到10TB 时两者持平。在数据量10〜2.0 TB 范围 内，A/D 数据采集系统准确率均高于WEB 自动采集程序,
且随着数据量的增加，A/D 数据采集的优势也越来越明显, 最后，当数据量为2.0 TB 时，其准确率比WEB 自动采集 程序高出3%左右。通过实验结果表示本研究设计的A/D
采样技术具有精度高的优点。
4结束语
本研究对现有的智能电能表用电信息采集系统中通信
模块进行了改良和革新，设计了一套新型方案，该方案采 用LoRa 无线通信技术，替代传统的无线通信方式，使其在
数据能够远距离传输且具有丢包率低、防干扰能力强和功 耗低等优点，本研究还采用基于ADC0809芯片的A/D 转换
器提高用电信息采集的准确率问题。本方案设计符合国家
提出的智能电网的要求，也切合智能家居物联的趋势，能 够很好满足经济实惠远距离传输信息的需求。依托LoRa 无 线通信技术，本研究在以后也可以考虑针对此通信方式的
组网算法以及对行业应用的研究。
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