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基于LoRa技術(shù)的智能共享插座

2022-04-12 11:06:36胡治輝劉文洲姚曉巖
關(guān)鍵詞:插座寄存器網(wǎng)關(guān)

胡治輝,劉文洲,姚曉巖

(1.長(zhǎng)春金融高等專(zhuān)科學(xué)校后勤處,長(zhǎng)春130012; 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春130012)

0 引言

隨著環(huán)保理念的深入和“雙碳”戰(zhàn)略的提出,新能源電車(chē)行業(yè)迎來(lái)大發(fā)展,充電需求激增。目前國(guó)內(nèi)普通用戶(hù)的中低端四輪或兩輪電動(dòng)車(chē)保有量巨大,有插座即可為車(chē)充電,但僅限于家中或工作單位,現(xiàn)有公共充電樁不適用于這類(lèi)用戶(hù),此類(lèi)服務(wù)市場(chǎng)尚處于空白狀態(tài)。相比傳統(tǒng)充電樁,智能共享插座內(nèi)置計(jì)量控制模塊,借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入到云平臺(tái)[1],用戶(hù)通過(guò)APP掃插座碼完成認(rèn)證和使用,從而實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控和掃碼共享功能。智能共享插座成本低、易使用,適合在工作單位、自家門(mén)前和公共場(chǎng)所等停車(chē)區(qū)投放。插座擁有者可監(jiān)控用電狀態(tài),也可在閑置時(shí)與他人共享。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通訊方式分為有線和無(wú)線兩種,無(wú)線方式又分為短距離和長(zhǎng)距離通訊。目前使用較廣泛的短距離無(wú)線傳輸方式有無(wú)線局域網(wǎng)802.11(WiFi)、藍(lán)牙(BlueTooth)、ZigBee等,長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸方式有LoRa技術(shù)和NB-IOT技術(shù)??紤]通訊距離、帶寬、功耗、成本等因素,LoRa技術(shù)被選作智能共享插座的無(wú)線通訊方式。LoRa(Long Range Radio)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方式是一種線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),在低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾性能方面具有出色表現(xiàn)[2]。它誕生于法國(guó),發(fā)展于美國(guó),目前在國(guó)內(nèi)外通信界擁有一席之地,技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈體系相當(dāng)成熟,未來(lái)應(yīng)用前景和發(fā)展空間廣闊。

1 智能共享插座系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能共享插座的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]包括插座、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器、用戶(hù)APP 4個(gè)部分。插座的內(nèi)部由微處理器、電能計(jì)量控制模塊、電源模塊、LoRa模塊構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部由微處理器、電源模塊、LoRa模塊、以太網(wǎng)模塊、顯示模塊以及按鍵構(gòu)成。云服務(wù)器部署數(shù)據(jù)庫(kù),網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器之間通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。智能共享插座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能共享插座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出,當(dāng)用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP掃描共享插座二維碼進(jìn)行認(rèn)證和取電時(shí),手機(jī)APP端進(jìn)行命令參數(shù)下發(fā)和插座端的狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳,通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器建立傳輸處理通道。插座內(nèi)置的電能計(jì)量模塊、溫度模塊、繼電器模塊、控制芯片、無(wú)線通訊模塊共同完成來(lái)自云端的用電計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)控和通斷控制等功能。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)則扮演信息轉(zhuǎn)發(fā)中樞的角色,服務(wù)器提供數(shù)據(jù)庫(kù)部署環(huán)境和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理功能。

1.2 計(jì)量與控制

插座的計(jì)量控制部分,單相負(fù)載采用合力為HLW8032的電能計(jì)量芯片,其計(jì)量精度高、性能穩(wěn)定可靠;三相負(fù)載采用銳能微RN7302電能計(jì)量芯片,是一種多功能高精度三相計(jì)量專(zhuān)用芯片,能提供全套基波參數(shù)及諧波有效值。本次設(shè)計(jì)針對(duì)單相負(fù)載,采用HLW8032芯片。

1.3 通訊與組網(wǎng)

插座的通訊與組網(wǎng)部分,插座和網(wǎng)關(guān)之間采用SX1278的LoRa無(wú)線方式,選用安信可Ra-02模塊。網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間采用以太網(wǎng)方式,選用W5500以太網(wǎng)模塊。

1.4 服務(wù)器與APP

插座的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳到云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、查詢(xún)和展示,用戶(hù)通過(guò)軟件APP客戶(hù)端與插座進(jìn)行交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能共享插座系統(tǒng)硬件包括插座和網(wǎng)關(guān),插座內(nèi)部核心單元由電源、電能計(jì)量控制、LoRa及微處理器等模塊構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部核心單元由電源、LoRa、以太網(wǎng)、顯示屏、按鍵、微處理器等模塊構(gòu)成。

2.1 電能計(jì)量與控制模塊

插座的電能計(jì)量使用HLW8032芯片[4],CMOS制造工藝,8PIN的SOP封裝,供電電壓為5 V。內(nèi)部集成1個(gè)高精度電能計(jì)量?jī)?nèi)核,2個(gè)∑-Δ型ADC。內(nèi)置3.579 MHz晶振、電壓參考源和電源監(jiān)控電路。有功功率測(cè)量誤差為0.2%、電壓和電流有效值的測(cè)量誤差為0.5%。數(shù)據(jù)通訊是UART口異步串行通訊方式,頻率4 800 bit/s。HLW8032引腳功能表見(jiàn)表1。

表1 電能計(jì)量芯片HLW8032引腳功能表

有效電壓U的測(cè)量信號(hào)Vp通過(guò)電流型電壓互感器隔離采樣電路獲得,計(jì)算見(jiàn)式(1);有效電流I的測(cè)量信號(hào)Vi通過(guò)電流互感器隔離采樣電路獲得,計(jì)算見(jiàn)式(2)。

Vp=(U/R8)×n×R7,

(1)

Vi=R2×I/n,

(2)

MU=(R8/n2)/R7,

(3)

N1=1/(R2/n1×1 000),

(4)

式中:電流互感器T1變比n1=1 000∶1;電壓互感器T2變比n2=1∶1;MU為電壓系數(shù);N1為電流系數(shù)。經(jīng)式(3)~(4)計(jì)算,電能計(jì)量電路電壓系數(shù)為2,電流系數(shù)為1。測(cè)量信號(hào)Vp由引腳CIP和CIN輸入HLW8032;測(cè)量信號(hào)Vi由引腳VIP輸入HLW8032,運(yùn)算后把數(shù)據(jù)寄存器中的電能數(shù)據(jù)以UART通訊方式發(fā)給微處理器。

電能計(jì)量與控制電路如圖2所示。插座負(fù)載的接通和斷開(kāi)由繼電器模塊控制,控制方式是微處理器I/O引腳輸出電平信號(hào),經(jīng)S8050三極管開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)繼電器線圈,進(jìn)而控制繼電器的吸合狀態(tài)。若是三相負(fù)載電路,繼電器驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相交流接觸器實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載電路的分合閘。

圖2 電能計(jì)量與控制電路

控制模塊即微處理器及附屬電路,網(wǎng)關(guān)和插座的控制模塊均采用中等容量增強(qiáng)型微處理器——意法半導(dǎo)體STM32F103C8T6芯片,該芯片是32位基于ARM核心的微控制器,工作電壓3.3 V,主頻72 MHz,內(nèi)部Flash容量64 kB,內(nèi)部SRAM容量20 kB,具有3個(gè)USART接口、2個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、1個(gè)USB接口、37個(gè)普通I/O口,處理器STM32F103C8T6的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

圖3 處理器STM32F103C8T6電路原理圖

2.2 通訊模塊

插座和網(wǎng)關(guān)之間采用LoRa無(wú)線通訊模塊,網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間采用有線以太網(wǎng)模塊。

2.2.1 無(wú)線LoRa

LoRa模塊采用安信可Ra-02型號(hào),基于SX1278芯片方案設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),該LoRa模塊供電電壓VDD=3.3 V,FXOSC=32 MHz,工作頻段在410~525 MHz,不帶前置濾波的2FSK調(diào)制,FDA=5 kHz,比特率=4.8 kb/s,接到500 Ω的匹配阻抗,Rx與Tx共享匹配鏈路。支持FSK、GFSK、MSK、GMSK、LoRaTM及OOK調(diào)制方式,低至-140 dBm的超高接收靈敏度,擁有卓越的抗阻塞特性,支持前導(dǎo)碼檢測(cè),支持半雙工SPI通訊,帶有CRC、高達(dá)256字節(jié)的數(shù)據(jù)包引擎,采用小體積雙列郵票孔貼片封裝。該模塊有16個(gè)引腳,其模塊引腳功能見(jiàn)表2。

表2 LoRa模塊引腳功能表

安信可Ra-02需要焊接天線使用,為了使天線達(dá)到最優(yōu)效果,天線的裝配位置要遠(yuǎn)離金屬件和高頻器件。模塊供電電壓3.3 V,電流峰值一般≥200 mA。該LoRa模塊的設(shè)定工作頻率為470 MHz,最大發(fā)射功率17 dBm(50 mW),帶寬125 kHz,擴(kuò)頻因子12,接收靈敏度-128 dBm。

LoRa模塊與STM32微處理器的通訊采用SPI總線方式,電路原理圖如圖4所示。

圖4 LoRa模塊通訊電路原理圖

2.2.2 有線以太網(wǎng)

網(wǎng)關(guān)的有線以太網(wǎng)通訊采用W5500芯片,W5500芯片采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器,具有完整的TCP/IP協(xié)議棧和10/100 Mbps以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層(MAC)和物理層(PHY),其全硬件的TCP/IP協(xié)議棧全程支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議,嵌入式系統(tǒng)通過(guò)W5500芯片的SPI(串行外設(shè)接口)接口即可連接到網(wǎng)絡(luò)[5]。

SPI(串行外設(shè)接口)提供了一個(gè)能輕松與外部MCU連接的接口。W5500支持高達(dá)80 MHz的SPI通訊速率。為了降低系統(tǒng)功率的消耗,W5500提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒和休眠模式。W5500收到原始以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包形式的magic packet時(shí)將被喚醒。

W5500與處理器的連接方式如圖5所示。根據(jù)其工作模式(可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度模式/固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度模式)。其中圖5(a)為可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度工作模式,該模式下W5500可以與其他SPI設(shè)備共用SPI接口,但是一旦將SPI接口指定給W5500后,則不能再與其他SPI設(shè)備共用。而圖5(b)為固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度工作模式,SPI接口將指定給W5500,不能與其他SPI設(shè)備共享。

(a)可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度工作模式

W5500以太網(wǎng)模塊與STM32處理器通訊采用SPI連接方式,選擇可變數(shù)據(jù)長(zhǎng)度工作模式,其電路原理圖如圖6所示。

2.3 插座與網(wǎng)關(guān)硬件電路

在插座和網(wǎng)關(guān)的整體硬件電路設(shè)計(jì)中,兩者均以STM32F103C8T6處理器為核心,除了LoRa電路單元、電能計(jì)量控制單元和W5500以太網(wǎng)電路單元外,外設(shè)還包括2個(gè)晶振電路(1個(gè)32.768 kHz晶振和1個(gè)8 MHz晶振),1個(gè)濾波電路(4個(gè)0.1 μF電容),1個(gè)SWD編程調(diào)試接口,1個(gè)復(fù)位電路,1個(gè)功能按鍵電路,1個(gè)DS18B20溫度傳感器,1個(gè)5 V模塊電源電路。插座與網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 插座與網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是智能共享插座數(shù)據(jù)通訊的處理中心,承上啟下地收發(fā)處理數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)性較強(qiáng),對(duì)邏輯設(shè)計(jì)的時(shí)序關(guān)系比較依賴(lài)[3]。網(wǎng)關(guān)主程序初始化后,在主程序執(zhí)行過(guò)程中,會(huì)根據(jù)分支程序的狀態(tài)標(biāo)志觸發(fā)情況進(jìn)行分支程序的中斷處理,以保持程序高效執(zhí)行。LoRa模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、按鍵模塊等外圍設(shè)備的事件運(yùn)行時(shí),通過(guò)微處理器的硬件中斷觸發(fā)將外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)串口硬件中斷服務(wù)程序,從接收寄存器讀取存入內(nèi)部緩存,產(chǎn)生接收標(biāo)志位,然后程序退出中斷服務(wù)程序,繼續(xù)執(zhí)行主程序。以LoRa模塊為例,網(wǎng)關(guān)收到插座發(fā)送的數(shù)據(jù),產(chǎn)生中斷請(qǐng)求RX IRQ,并把CRC校驗(yàn)無(wú)誤的響應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入LoRa模塊的FIFO中。微處理器從FIFO讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)并打包處理,然后向W5500發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。隨后以太網(wǎng)模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完成后系統(tǒng)主程序進(jìn)入下一次循環(huán)。網(wǎng)關(guān)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

3.2 插座軟件設(shè)計(jì)

插座和網(wǎng)關(guān)按照主動(dòng)輪詢(xún)和被動(dòng)時(shí)間片結(jié)合的通訊交互策略進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,以避免各插座節(jié)點(diǎn)在與網(wǎng)關(guān)通訊時(shí)產(chǎn)生沖突。在網(wǎng)關(guān)收到來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)指令期間,采用主動(dòng)輪詢(xún)方式通訊,網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)指令定向轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)插座,當(dāng)主程序執(zhí)行循環(huán)數(shù)次結(jié)束,未收到來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)指令時(shí),采用被動(dòng)時(shí)間片方式通訊,網(wǎng)關(guān)與插座同步時(shí)間,插座在自己時(shí)間片內(nèi)與網(wǎng)關(guān)通訊交互[6]。

插座主程序流程圖如圖9所示。由圖9可知,插座LoRa模塊設(shè)定為連續(xù)接收模式,若在連續(xù)Rx模式下產(chǎn)生RxTimeout中斷,程序需要在設(shè)備保持等待有效前導(dǎo)碼同時(shí),清除中斷信號(hào)使設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式。程序收到有效數(shù)據(jù)包后,微處理器應(yīng)在下一個(gè)RxDone信號(hào)前讀取對(duì)應(yīng)寄存器,并保證微處理器從FIFO提取有效數(shù)據(jù)期間,相應(yīng)的寄存器沒(méi)有觸發(fā)中斷信號(hào),否則直接跳過(guò)下一步驟,丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)包。插座有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí),LoRa模塊先使Tx模塊初始化,這是因?yàn)镕IFO只能在LoRa模塊待機(jī)模式下寫(xiě)入。數(shù)據(jù)在被寫(xiě)入FIFO時(shí),程序必須把FIFO SPI指針FifoAddrPtr指向TX數(shù)據(jù)起始地址FifoTxPtrBase,并把LoRa有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為PayloadLength的字節(jié)寫(xiě)入FIFO(RegFifo)。然后啟用數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求,等待TxDown發(fā)送完成中斷后,LoRa恢復(fù)至待機(jī)模式。

圖9 插座主程序流程圖

電能數(shù)據(jù)經(jīng)HLW8032芯片PF引腳、TX引腳發(fā)送給微處理器。處理器按式(5)~(12)的計(jì)算方法處理數(shù)據(jù):

根據(jù)式(5)~(12)計(jì)算相應(yīng)的電能測(cè)量、計(jì)量數(shù)據(jù)。

U=VVP_REG/VV_REG×MU,

(5)

I=CCP_REG/CC_REG×NI,

(6)

P=PPP_REG/PP_REG×MU×NI,

(7)

S=U×I,

(8)

cosφ=P/S。

(9)

用電量根據(jù)PF寄存器脈沖數(shù)據(jù)計(jì)算得出,如果PF寄存器里脈沖數(shù)據(jù)溢出,數(shù)據(jù)更新寄存器Data Updata REG的bit7會(huì)取反,PF寄存器PF_REG同時(shí)清零,故脈沖信號(hào)數(shù)量可表示為

PPFcnt=K×65 536+PPF_REG。

(10)

那么1度電對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)量可表示為:

(11)

當(dāng)PPFcnt個(gè)數(shù)達(dá)到1度電脈沖數(shù)量時(shí),代表芯片累計(jì)統(tǒng)計(jì)1度電量(kW·h),即:

W=(K×65 536+PPF_REG)/X,

(12)

式中:P為有功功率;S為視在功率;cosφ為功率因數(shù);X為1度電脈沖數(shù);W為當(dāng)前用電量;K為數(shù)據(jù)更新寄存器的bit7取反次數(shù);VVP_REG為電壓參數(shù)寄存器值;VV_REG為電壓寄存器值;CCP_REG為電流參數(shù)寄存器值;CC_REG為電流寄存器值;PPP_REG為功率參數(shù)寄存器值;PP_REG為功率寄存器值;PPF_REG為PF寄存器記錄脈沖數(shù)量值。

當(dāng)微處理器查詢(xún)當(dāng)前電能數(shù)據(jù)時(shí),主函數(shù)調(diào)用Data_Processing()電能數(shù)據(jù)處理函數(shù)。當(dāng)微處理器執(zhí)行繼電器動(dòng)作指令時(shí),主函數(shù)調(diào)用程void DSW_init(void)繼電器控制函數(shù)。

3.2.1 電能數(shù)據(jù)處理函數(shù)

void Data_Processing()

{

u32

VP_REG=0,V_REG=0,CP_REG=0,C_REG=0,PP_REG=0,P_REG=0,PF_COUNT=0,PF=0;

double V=0,C=0,P=0,E_con=0;

if(USART2_RX_BUF[0]!=0xaa)

{

VP_REG=USART2_RX_BUF[2]*65536+USART2_RX_BUF[3]*256+USART2_RX_BUF[4];

V_REG=USART2_RX_BUF[5]*65536+USART2_RX_BUF[6]*256+USART2_RX_BUF[7];

V=(VP_REG/V_REG)*1.88;

printf("電壓值:%0.2fV;",V);

CP_REG=USART2_RX_BUF[8]*65536+USART2_RX_BUF[9]*256+USART2_RX_BUF[10];

C_REG=USART2_RX_BUF[11]*65536+USART2_RX_BUF[12]*256+USART2_RX_BUF[13];

C=((CP_REG*100)/C_REG)/100.0;

printf("電流值:%0.3fA;",C);

if(USART2_RX_BUF[0]>0xf0)

{

printf("未接用電設(shè)備!");

}

else

{

PP_REG=USART2_RX_BUF[14]*65536+USART2_RX_BUF[15]*256+USART2_RX_BUF[16];

P_REG=USART2_RX_BUF[17]*65536+USART2_RX_BUF[18]*256+USART2_RX_BUF[19];

P=(PP_REG/P_REG)*1.88*1;

printf("有效功率:%0.2fW;",P);

}

if((USART2_RX_BUF[20]&0x80)!=old_reg)

{

k++;

old_reg=USART2_RX_BUF[20]&0x80;

}

PF=(k*65536)+(USART2_RX_BUF[21]*256)+USART2_RX_BUF[22];

PF_COUNT=((100000*3600)/(PP_REG*1.88))*10000;

E_con=((PF*10000)/PF_COUNT)/10000.0;

printf("已用電量:%0.4f° ",E_con);

}

else

{

printf("data error ");

}

}

3.2.2 繼電器控制程序

#ifndef __DSW_H //聲明

#define __DSW_H

#include "stm32f1xx.h"

#define DSW_PIN GPIO_PA2

#define DSW_PORT GPIOD

#define DSW1_L GPIO_WriteLow(DSW1_PORT,DSW1_PIN);//定義DSW1_L,拉低PA2

#define DSW1_H GPIO_WriteHigh(DSW1_PORT,DSW1_PIN);//定義DSW1_H,拉高PA2

#define DSW_R GPIO_WriteReverse(DSW1_PORT,DSW1_PIN);//翻轉(zhuǎn)

void DSW_init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PA2;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

//DSW ON PA2

void DSW_ON(void)

{

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_PA2);

}

//DSW OFF PA2

void DSW_OFF(void)

{

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_PA2);

}

3.3 插座APP設(shè)計(jì)

智能共享插座在手機(jī)端開(kāi)發(fā)APP軟件,功能主要包括用戶(hù)登錄、添加插座、用電管理、數(shù)據(jù)查詢(xún)等內(nèi)容。用戶(hù)點(diǎn)擊APP進(jìn)入登錄界面,輸入用戶(hù)名admin,密碼admin,即可登錄到客戶(hù)端。用戶(hù)點(diǎn)擊“插座”選項(xiàng)欄,選擇掃一掃添加新的插座,或者使用歷史插座。添加完插座后,跳轉(zhuǎn)到“詳情”頁(yè),用戶(hù)可以看到插座編號(hào),插座電壓信息。當(dāng)用戶(hù)按插座開(kāi)關(guān)按鍵,按鍵由紅變綠,電動(dòng)車(chē)開(kāi)始充電,此時(shí)增加顯示電流、功率、功率因數(shù)、頻率、累計(jì)電能以及累計(jì)費(fèi)用等信息。用戶(hù)完成充電后按動(dòng)按鍵,按鍵由綠變紅,停止充電和計(jì)費(fèi)。智能共享插座APP軟件界面如圖10所示。

圖10 智能共享插座APP軟件界面

3.4 服務(wù)器通訊設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的W5500以太網(wǎng)模塊與服務(wù)器之間通訊通過(guò)Socket協(xié)議實(shí)現(xiàn),首先建立連接,然后收發(fā)數(shù)據(jù)。

1)服務(wù)器端開(kāi)始監(jiān)聽(tīng);

2)客戶(hù)端Connect()連接服務(wù)器端;

3)服務(wù)器端Accept()產(chǎn)生新的Socket,一次連接完成,此時(shí)服務(wù)器端與客戶(hù)端就可以使用Send和Receive發(fā)送和接收數(shù)據(jù);

4)一端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),在包頭(也可以包尾)加上一個(gè)特殊字符(比如0和1),另一端先判斷包的第1個(gè)字符是什么,比如0就是字符串,1就是文件,然后讀取數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容包括網(wǎng)關(guān)和插座的軟硬件能否正常運(yùn)行,服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)插座能否建立通訊,手機(jī)APP能否通過(guò)掃碼添加插座并進(jìn)行操作交互,以及LoRa通訊的可靠程度。本文重點(diǎn)研究了基于LoRa技術(shù)的智能共享插座,此處以網(wǎng)關(guān)和插座之間的LoRa通訊測(cè)試[6]結(jié)果為例進(jìn)行分析。

1)通訊可靠性測(cè)試:LoRa通訊天線選用增益6dBi的pcb天線,將插座接上充電負(fù)載,網(wǎng)關(guān)用液晶和按鍵模擬收發(fā)數(shù)據(jù),設(shè)定每隔1 s完成1個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步和數(shù)據(jù)通訊。測(cè)試者手持網(wǎng)關(guān),調(diào)整網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)的距離,根據(jù)有無(wú)建筑物阻擋,每個(gè)距離分別收發(fā)兩組數(shù)據(jù),每組500個(gè)。LoRa通訊測(cè)試距離如圖11所示,記錄LoRa通訊的丟包率測(cè)試見(jiàn)表3。

圖11 LoRa通訊測(cè)試距離

如表3所示,半徑1 000 m以?xún)?nèi)無(wú)建筑物阻擋時(shí)的通訊丟包率最高為0.8%,有建筑物阻擋的通訊丟包率最高為3.4%,可以滿(mǎn)足插座局部組網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊需求。當(dāng)距離增加到1 500 m且有建筑物阻擋情況下,通訊丟包率達(dá)到了35.6%,而在無(wú)建筑物阻擋情況下通訊丟包率保持在2%。

表3 LoRa通訊丟包率測(cè)試

無(wú)阻擋和有阻擋情況下的距離與信號(hào)強(qiáng)度RSSI波動(dòng)曲線如圖12所示,若要在城市中增加通訊距離,保證信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定,可采用高增益天線,而在郊區(qū),本設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足通訊需求。

(a)無(wú)阻擋情況下

2)通訊穩(wěn)定性測(cè)試:網(wǎng)關(guān)的液晶屏幕每次與節(jié)點(diǎn)同步時(shí),會(huì)顯示該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)接收強(qiáng)度指示,即RRSSI值。在前述測(cè)試條件下,每個(gè)距離分別記錄有建筑物阻擋和無(wú)建筑物阻擋的2組RRSSI值,每組30個(gè)。經(jīng)過(guò)計(jì)算每組數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,LoRa通訊穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

文中的LoRa模塊接收靈敏度為-128 dBm,實(shí)際測(cè)試接收強(qiáng)度指示RRSSI值最低為-126 dBm,隨著距離的增加,網(wǎng)關(guān)的信號(hào)接收強(qiáng)度指示RRSSI逐漸下降,圖13中RRSSI均值反映了距離與信號(hào)接收強(qiáng)度的關(guān)系,而標(biāo)準(zhǔn)差反映了距離變化對(duì)信號(hào)接收強(qiáng)度的波動(dòng)影響,距離一定時(shí),建筑物的阻擋會(huì)影響通訊質(zhì)量。液晶顯示的電能指示數(shù)x與被測(cè)實(shí)際值x0之間的差值Δx為節(jié)點(diǎn)測(cè)量的絕對(duì)誤差,引用誤差Eni=(Δx/x0)×100%,則模塊準(zhǔn)確度等級(jí)為Δxmax/xmax×100%,測(cè)算10組差值Δx,測(cè)得最大引用誤差[7]為1.2%。

5 結(jié)語(yǔ)

借助LoRa無(wú)線通訊技術(shù),以低成本和高通訊可靠性實(shí)現(xiàn)智能共享插座功能。插座采用了微處理器、LoRa、以太網(wǎng)芯片、電能計(jì)量與控制等模塊,完成了硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、裝置測(cè)試等任務(wù),測(cè)試了裝置通訊穩(wěn)定性與可靠性,測(cè)試了電能計(jì)量精度,電能測(cè)量精度達(dá)到2.0級(jí),符合取電用戶(hù)電能計(jì)量精度的要求。測(cè)試結(jié)果表明,隨著通訊距離的增加,以及建筑物的阻擋影響,插座與網(wǎng)關(guān)的通訊可靠性、穩(wěn)定性有所改變,但依然可以滿(mǎn)足規(guī)范要求。此共享插座在投入使用時(shí)可采取先進(jìn)的加密系統(tǒng)方案[8],保證插座和網(wǎng)關(guān)之間的LoRa無(wú)線通訊安全。

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