北京信息科技大学自动化学院研究员蒲震、吴英年在《电气技术》2019年第6期撰文指出，目前，在国内用电及配电系统中，主站与用电信息采集终端之间的远程通信多采用GSM、GPRS等通信方案。这些无线通信方式存在通信时延长、通信可靠性差的缺点，已经不能满足国家提出的智能电网和智能物联网的要求。
随着物联网无线通信技术的快速发展，LoRa应运而生。具有频段选择自由、通信距离远、信号穿透力强、数据收发稳定、组网灵活等特点，在用电信息采集系统中更受欢迎。采用工业级芯片F8L10D-E-MS-N的LoRa芯片和ATMEL D20设计的远程采集模块实现远程通信功能。
模块与主站之间的通信采用面向对象的DL/T 698通信协议。该模块创新性地采用了全新的LoRa无线通信方式，通过USB3.0与主控芯片连接，加入NFC模块，通过NFC匹配预装软件的参数配置。实验表明，该无线通信模块通信覆盖范围广，组网速度快，数据传输效率高。
随着科学技术和信息技术的不断发展，以及全国用电信息采集终端在全国智能电网建设中的重要地位，采集终端的稳定性、准确性和快速性成为智能电网计量标准中的重要指标。对于前一种有线通信方式，电力载波是基于现有的低压配电线路。这种网络随处可见，具有简单、价格低廉等优点，但也存在噪声干扰大、信号衰减复杂、随机性和时变性强等缺点。显然，这种通信方式无法满足信号传输稳定性的要求。
然后出现了无线通讯的方式，以前是基于GPRS。在当时的技术条件下，这种通信方式可以将8个时隙有机组合，以115kbit/s的宽带速度传输数据，比GSM快得多，可以保证电力信息传输更加快速稳定。但是，它也有一些缺点，如延迟长，速度慢，成本高。
随着物联网无线通信新技术LoRa网络技术的逐渐普及，这些问题的解决方案终于来了。LoRa网络采用无线自由频段，功耗低，通信距离远，抗干扰能力强，平均时延短。采用先进的扩频调制技术和编解码方案增加链路预算，对增强衰落和多普勒频移具有良好的稳定性。
本文对抄表系统中集中器的无线通信模块进行了研究。内置高性能低功耗的MCU。在现有技术的限制下，在不改变集中器软硬件接口的情况下，通过以太网口与集中器连接。它采用了集中器通信模拟主站服务器和集中器客户端的设计思想，大大提高了集中器的通信速率。
该模块主要利用MCU控制模块来掌握整个通信过程，并配合其他芯片实现1376.1协议和DLT 698.45协议之间的转换。LoRa的芯片主要用于连接远程服务器的无线网络。闪存芯片存储集中器数据、通信数据和各种转换后的数据。
1系统设计方案
基于LoRa的用电信息采集系统主要是针对信息采集系统，在整个抄表系统中起到连接和控制的作用，承担数据传输和数据采集的任务。在信息采集系统中，采集系统向下采集每个电能表参数的信息，向上将采集到的参数数据上传到电力服务器，再将服务器中接收到的数据上传到数据库、前端网页和客户端。通过调用数据库的数据，显示采集的具体数据信息，远程读取用电信息系统。
通信模块总体结构:LoRa远程无线通信模块采用LoRa FBL10D模块，MCU由D20处理器和Flash组成。远程通信模块的整体结构如图2所示。主控芯片D20通过网络接口与集中器连接，LoRa芯片通过USB3.0端口连接，Flash芯片通过SPI总线连接，NFC芯片通过I2C总线连接[8]。MCU芯片和LoRa芯片的连接不仅仅是USB3.0，随着芯片技术的不断发展，还有基于光纤的PCIE和高速串行总线AFDXFC。
图1 远程抄表的用电信息系统的网络拓扑图2 LoRa通信模块的总体结构这种模块设计的主要优势是物联网新的主流无线通信模式LoRa使用免费频段，成本低，数据传输可靠，组网快捷方便[9]。与传统的无线GPRS、4G、ZigBee等网络相比，LoRa有着天然的优势。在传输效率方面，LORA可以快速传输数据，完成通信任务。
2硬件设计
ATEML D20是一款基于嵌入式ARM 32位的低功耗、高性能控制器。它运行在48MHz，具有两级通道，单周期I/O访问，单周期32×32倍增长事件系统和快速灵活的中断控制器。它的效率极高，可以达到2.14核，93DMIPS。并集成了16位TC和比较/捕获通道、看门狗定时器等。、USART全双工和单线半双工设备、I2C、SPI等。可以满足各种科学研究的需要和应用。
通信模块主要使用ATMELD20作为核心控制处理器，其中最重要的是它创新性的使用了串行通信模块，属于全软件配置类型，支持I2C、USART/UART和SPI通信。整理后可以让很多外设精确适应应用需求。该设备由可充电锂电池供电。
通信模块的选择应满足稳定性、准确性和高可靠性的要求。本信息系统选用的通信模块为F8L10D，具有多个自由无线通信频段，具有通信距离远、抗干扰能力强、远程参数配置、超高接收灵敏度等特点。还支持LoRaWAN网络，容量大，组网灵活，成本低，项目部署优势明显。
为了解决芯片之间的干扰和电压平衡问题，我们在MCU和FBL10D之间串联了一个共模扼流圈L1，防止USB信号受到电磁干扰，并在测试点串联了R3和R4电阻进行调试，默认不附带电阻。为了满足USB数据线的信号完整性，L1/R3/R4应靠近模块放置。
通信模块FBL10D的电压范围在3.3-3.6v之间，在EGSM900模式下，瞬时峰值电流可能达到2.0A为了防止电压降到3.3V以下，使用开关电源或LDO时需要提供足够的电流，因此需要在模块的电源端增加一个容量大于470F的钽电容或电解电容。为了避免天线部分防止电磁干扰，这些设计有效地解决了上述要求。
3软件设计
在软件设计过程中，各模块的配置按照以下步骤进行。实时任务的优先级首先是电能表的DL/T 645通信收发任务，然后是LoRa的DL/T 698通信过程，然后是智能抄表和周期检测任务，接着是DL/T 698协议解析和成帧等任务。软件采用IAR软件，为C编译器，集成开发环境有C/C++编译器和调试器，实时操作系统和中间件，开发套件和硬件模拟器。
在C文件主程序中，首先配置MCU内核时钟，配置低速外设的运行频率和最低频率。然后，对GPIO、SPI、UART、I2C、PWM串口[10]等外设进行连续写操作，初始化通信模块的数据存储。通过优化模型和SCOKET socket通信，实现了远程服务器的连接。
以下思路进行优化对比。首先通过以太网在微处理器MCU芯片和集中器之间建立TCP/IP连接，集中器作为客户端，MCU作为服务器，建立第一组C/S连接；微处理器MCU通过LoRa通信模块与远程主站建立TCP/IP连接。LoRa芯片和USB3.0组合成一个微处理器芯片的虚拟网口，MCU为客户端，远程主站为服务器，建立第二组C/S连接。MCU作为主站服务器获取集中器客户端的数据，模拟集中器客户端响应远程主站服务器的数据请求，完成集中器与远程主站的数据交互
图3显示了LoRa通信模块和远程主站之间的通信流程图。
图3 LoRa与远程主站通信流程图LoRa模块初始化流程:LoRa模块上电后，用AT指令初始化，通过PPP协议连接LoRa无线网络，TCP通过socket连接远程主服务器，通过心跳检测连接主站。初始化后，FBL10D模块通过scoket与主站通信。本系统主要使用流媒体工具，主要是为C/S模式的应用而设计的。
Socket，俗称BSD socket，主要实现程序之间的进程通信。它常用于计算机网络通信，主要在传输层传输数据。图4是本实用新型通信连接过程的示意图。
图4 实用新型通信连接流程示意图4实验验证
测试了该模块的灵敏度、功耗和通信距离。该模块的技术参数选择为工作频率433MHz，发射功率30dBm，带宽125kHz，前向纠错码率4/5，数据传输速率4 kbit/s。
4.1接收灵敏度测试
该实验使用一个普通信号源、一个可变衰减器和一个特殊的屏蔽盒。模块放在特定的屏蔽箱里，设备对1.2GHz以下的信号可以屏蔽120dBm左右，所以测试结果比较权威。公共信号源产生接收模块能识别的待测信号，输出功率控制在+30dBm。如果接收模块能够识别出可变衰减器输出到公共信号源的调制衰减信号，相应的LED灯就会相应闪烁。
在实验过程中，研究了信噪比、扩频因子和接收灵敏度之间的关系。最后，实验结果表明，该模块的灵敏度满足设计要求。数据显示，SF值越大，接收灵敏度越高，SNR值越小，接收灵敏度越高。测试结果如表1所示。功耗测试见表2。
4.2通信距离测试
要测试模块的通信距离，第一步是选择区域。我们选择在北京一个相对空开阔的地方使用两个相对简单的LoRa模块，采用点对点的通信方式。根据最大值将发射功率设置为30dBm，将接收灵敏度设置为最合适的138dBm。这一带的道路比较直宽，道路两旁的建筑相对较少。测试距离与丢包率的关系见表3。
表1 LoRa模块灵敏度测试表2 功耗测试表3 LoRa模块距离测试与丢包率的情况从表3可以看出，当通信距离大于8km时，丢包率大于6%，大于11km时，丢包率大于18%，会造成通信中断，符合本模块的设计初衷，满足要求。
结论
本文对远程智能抄表系统中集中器的通信模块进行了研究和改进。通信模块主要采用最新的LoRa无线通信技术，最新的LoRa芯片和MCU的结合替代了传统的无线通信方式，使数据传输的稳定性、灵敏度、丢包率、功耗等方面都有所提高，符合国家提出的智能电网的要求和智能家居物联网的趋势，能够很好的满足远程抄表系统的需求。
依托LoRa无线通信技术，可以考虑这种通信方式的组网算法和行业应用的研究。
