基于 LoRa 通讯的智能插座的设计

杨宇

国网江西省电力有限公司鹰潭供电分公司 335000

【摘要】智能家居在设备智能化的环境下应运而生。在智能家具发展至今，已经可将多种设备如电视机、空调等设备单独接入智能环境中，实现对制定目标的单独控制，但上述设备更新迭代成本高且寿命长等原因，更换周期较长。于是遍诞生了通过智能插座间接控制上述设备的智能家居新方式。只需要在普通插座的基础上加入LoRa通信技术、电能采集技术等模块，设计一款可连接物联网的智能插座，在物联网环境下对电能信息实时反馈、控制电源开关、实现对电能用量的精准把握。本文对此进行验证，并在设计基础上进行了相应的测试工作。

关键词：智能家居；智能插座；设计与实现；物联网；LoRa

0引言

在网络技术飞速发展的大环境下，智能家居可通过物联网通信技术将自己与互联网接轨，通过指定的系统进行管理，让人们在居住时可以便捷地对家中各个用电设备进行控制^[1]。本文围绕LoRa通讯的智能插座进行设计研究。LoRa是一种低功耗广域网技术，相比于WIFI、ZigBee等现有无线技术，具有距离远、功耗低、成本低等优点^[2][3]。在智能家居环境中，通过一些技术手段，可填补电力设备在各个家居中细分支路的空缺，通过LoRa通信与带有LoRa终端的网关配合使用，可同时兼顾，小区电路终端到各个家庭，再从各个家庭的终端到各个用电器的树状结构，从整体上优化、收集各个节点的用电量信息^[4][5]。因此LoRa通讯的智能插座方案是一种具有可行性的设备。

1系统总体设计

在本文思路下，根据网络、网关、插座、电器的结构绘制出如图1所示的结构图。各种用电器按16A、10A种类接入对应的智能插座上，智能插座上电后便可通过LoRa通信与家庭网关进行通信，再由网关通过INTERNT网络与网络服务器连接进行数据存储等操作。最后用户可通过手机、电脑等远程设备通过INTERNET网络与服务器通信，控制智能插座开合闸。本文将着重介绍LoRa智能插座的设计与实现。

图1

2详细设计

2.1总体框架

智能插座的设计主要包含电源转换模块，LoRa通过通讯模块、继电器模块、MCU模块，其中MCU模块包括，处理器模块、电能处理模块、存储器模块。

2.2电源模块

本文中智能插座可直接使用220V交流市电，接入电源后220V交流电通过整流、滤波、变压以及直流滤波处理后转换为MCU可用的低压电，交流转直流模块最大转换功率为5V/600mA，再由1117M3芯片将5V转换成3.3V对主芯片进行供电，最大转换功率为3.3V/800mA。经过测试设备最大功耗时即发LoRa通信波状态下功耗为5V/150mA，常态功耗为5V/80ma。

2.3继电器模块

本文使用5V直流功率继电器，规格为最大支持交流250V/16A，采用三极管控制的方式，由处理器控制高低电平来控制继电器状态，常态为电器开路。输出高电平时，三极管导通，继电器闭合电路。输出低电平时，三极管截止，继电器断开电路。以此达到继电器通断的目的。

2.4LoRa通信模块

LoRa通信模块使用SX1278芯片的集成模块，使用标准的433M铜质天线。LoRa模块与处理器采用模拟SPI的功能进行通信，通过程序设置使LoRa模块默认处于接收状态，有需要时自动切换到发送状态进行发送数据。以达到与网关通信的要求。

2.5MCU模块

MCU模块部分使用RN8211B芯片，芯片共包括了传统电能处理模式中的处理器部分、存储器部分、电能处理部分。

处理器部分指带传统电能处理模式中的MCU部分。

存储部分为芯片内置的EEPROM，最大支持32K数据，用于表号，告警阈值等存储必要数据。

电能处理部分集成到一个芯片内部降低了空间占用率，同时具有高精度和高可靠性。首先根据电能计量公式中的芯片选择不同可先行确定锰铜阻值，即采用锰铜分流计量方案其中锰铜分流需要遵循以下两个条件：

条件1：R_锰铜的选择必须确保1.5倍Imax最大电流为20A条件下，功率不超过2W。即可算出R_锰铜的阻值需要小于0.002222Ω。

条件2：R_锰铜的选择必须确保1.5倍Imax条件下，采样信号不超过满量程V满量程，电流增益倍数可由强如式软件设置，使用高精度，可设置成16倍增益，由芯片选型V_满量程为0.566，即可算出R_锰铜的阻值需要小于0.001179Ω。

由上述计算所得数据可知：锰铜的阻值需要小于条件一和条件二，，因此本文中设计使用500毫欧的锰铜，选定锰铜之后将参数反带入校表采样值公式，其中I_b点为校表台设置的实际校表电流。计算后可得出电流采样值为0.080。

电压采样值根据硬件设计电路时串联电阻总和，电压通过串联电阻降压之后进入芯片测量点进行采样，本设备中使用6个电阻阻值270KΩ。电压采样值可有公式计算出，其中Un为额定电压220，R

_采样为采样电阻阻值和1620，计算后可得电压采样值为0.136

3插座测试

智能插座测试阶段可分为LoRa部分、计量部分测试。

3.2LoRa部分

LoRa测试使用拓传装置通过LoRa通信时收发的信息。接收的信息如下图2所示，第一条为读表号，然后返回两个插座的标号信息，接下来为网关发送的读取正向由功总信息与两块表的保温回复。其中040000000000表为测试表其中回复33333333解读后为0kWh用电量，标号为010900080009的表为实际使用近1年的表，回复报文8B3B3633解读之后为308.58kWh。与实际通过串口获得的数据相同，表明LoRa通信过程无异常。

图2

3.3计量部分

计量部分测试主要通过在校表之后不同电压电流值、不同的偏移角度，进行电压电流等精度的测试。在校表时，经过测试阶段20块表的校表时通过脉冲灯的精度测试，测试精度范围稳定在±0.1%之间，符合一级电表1%的精度误差要求。以下为抽样检查经过校表台供给的电流电压信息以及通过报文读取的电流电压以及不同角度对应的电功率值如下表所示。

	220V/10A	220V/5A	110V/10A
0.5C	220.0V/10.00A/1100.1W	220.1V/4.99A/549.2W	110.0V/10.00A/550.4W
0.8C	220.0V/9.99A/1756.8W	220.0V/4.99A/878.1W	110.V/10.00A/879.0W
1.0	219.9V/9.99A/2198.5W	220.0V/4.99A/1100.1W	110.0V/10.00A/1100.1W
0.8L	220.0V/10.00A/1757.5W	220.1V/4.99A/879.0W	110.0V/10.00A/878.5W
0.5L	220.0V/10.00A/1100.0W	220.1V/4.99A/550.4W	110.0V/10.00A/549.6W

4总结

本文提出一种基于LoRa通信的智能插座，其具有电能监控、LoRa通信等功能。首先详细介绍了系统各模块设计，然后对对系统多个方面进行了测试验证．并制作完成，经过长时间测试。结果证明智能插座运行可靠。并在之后很长一段时间内稳定运行，运行时耗能小，结合适当控制开合闸功能可达到节电等功能，接下来也会从此方面入手，深入测试总结智能插座与节约电能间的关系。

参考文献

1^] 刘凯，戚银成．智能家居系统中基于能耗管理的智能插座设计［J］．单片机与嵌入式系统应用，2014，14(7)：60-63．

2^] 赵静，苏光添．LoRa无线网络技术分析［J］．移动通信，2016，21：50-57．

3^] 罗贵英．基于LoRa的水表抄表系统设计与实现［D］．浙江工业大学，2016．

4^] 陈颖．基于ＰＬＣ通信的物联网智能插座研究［J］．通讯世界，2016(18)：40．

5^] 李伟，王利，易子川，等．一种鲁棒的ZigBee智能插座扩展系统［J］．计算机工程，2016，42(8)：305-310．