一种快速入网机制的LoRaWAN电能表及入网方法与流程

本发明涉及电力设备技术领域，具体为一种快速入网机制的lorawan电能表及入网方法。

背景技术：

近年来，随着网络技术的发展，lorawan因为有着独特的优势而被广泛应用。lorawan设备覆盖范围，在开放区域能与最远15公里范围的网关进行通信，在城市中可以与长达5公里的网关进行通信，覆盖范围还能够延伸到室内，甚至到达地下室；同时lorawan还具有低功耗，低成本以及网络通讯良好等优点。

电能表作为lorawan技术应用的具体场景之一，除了完成基本的计量工作外，最主要的是将电能表的数据进行快捷高效的传输，尤其是偏远地区、空间比较狭小以及布点分散的地方。

但是由于一个台区的电能表台数往往成百上千台，并且使用时同时上电，这就给lorawan电能表入网造成了竞争拥堵现象，lorawan电能表在短时间内入网变得很困难，甚至根本入不了网而无法正常通讯。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种快速入网机制的lorawan电能表及入网方法，在多个lorawan电能表入网时，能够分时分组，防止冲突，保证多个lorawan电能表快速高效入网。

为达到以上目的，采用一种快速入网机制的lorawan电能表，包括单片机，与所述单片机相连的电流采样模块、电压采样模块、存储器以及电源模块；所述电流采样模块和电压采样模块分别用于采样电流信号和电压信号，并经过单片机传输至所述存储器，其特征在于：所述电能表还包含有lorawan通讯模块，所述单片机读取电能表通讯地址的后三位，并根据通讯地址的后三位计算lorawan通讯模块延时供电入网的周期时间；所述单片机对其计算的周期时间进行自减运算，直至结果等于零时，所述单片机对lorawan通讯模块供电入网；多个电能表时，各电能表的周期时间相互错开；当多个电能表的入网时间达到所有电能表的最大周期时间时，如果某个电能表的lorawan通讯模块没有入网，断开对lorawan通讯模块的供电，重新计算该电能表的周期时间，再进行自减运算后供电入网。

优选的，所述电能表包含两个led指示灯，其中一个在电能表有负载输出时闪烁，另一个在lorawan通讯模块成功入网后点亮。

优选的，所述电能表还包含继电器和跳闸指示灯；所述继电器处于常闭状态，当电能表过载时，继电器断开，跳闸指示灯常亮。

优选的，所述电流采样模块和电压采样模块将采样到的电流信号和电压信号分别经过数字处理后，转换为脉冲频率信号，并发送给单片机；单片机根据脉冲频率信号进行电量叠加计算并存储在存储器中。

优选的，所述电能表的电源模块、电压采样模块、电流采样模块、单片机、存储器、lorawan通讯模块以及三个指示灯均集成在一块pcb电路板上。

一种基于权利要求1的lorawan电能表快速入网方法，步骤如下：

多个电能表同时上电，每个电能表的单片机均读取其所在电能表的后三位通讯地址；其中，个位a0、十位a1和百位a2；

每个电能表的单片机计算各自lorawan通讯模块延时供电入网的周期时间t，t＝a0*m+a1*n+a2，单位为秒；其中，m为正常情况下电能表入网所需最大时间，n为设定的常数，用于差异化不同电能表的周期时间；

每个电能表的单片机对自身的t值进行自减运算，直至t等于零，单片机对lorawan通讯模块进行供电入网；

当入网时间达到所有电能表中t的最大值时，如果某个电能表的lorawan通讯模块没有入网，断开对lorawan通讯模块的供电，重新计算该电能表的t，再进行自减运算后供电入网。

优选的，所述电能表包含两个led指示灯，其中一个用于在电能表有负载输出时闪烁，另一个在lorawan通讯模块成功入网后点亮。

优选的，根据任意两个通讯地址相邻的电能表的t值之差等于m，设定n值。

优选的，m取值10，常数n取值100；所述a0、a1和a2的取值范围均为0～9，且均为整数；所述t值取值范围为0～999。

优选的，入网之后，每个电能表将相关用电数据打包为数据帧，定时主动上传至网关。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的电能表还包含有lorawan通讯模块，单片机读取电能表的后三位通讯地址，并根据通讯地址的后三位计算lorawan通讯模块的延时供电入网的周期时间；当多个电能表上电时，每个电能表的单片机对各自的周期时间进行自减运算，直至结果等于零，单片机对lorawan通讯模块供电入网；该lorawan通讯模块运算电能表的后三位通讯地址，将多个电能表分为多组且将不同通讯地址的入网时间全部错开，使得多个电能表的lorawan通讯模块的入网分时分组且防冲突，达到了快速入网的目的，保证了lorawan模块能快速高效入网。

2、本发明的lorawan通讯模块相互连通，且参照所有电能表的最大周期时间进行观测；当多个电能表的上电时间达到所有电能表的最大周期时间时，如果某个电能表的lorawan通讯模块没有入网，该电能表断开对自身lorawan通讯模块的供电；重新计算该电能表的周期时间，再进行自减运算后供电入网；如此多轮入网进一步地防止了电能表台数较多时，电能表相互之间的冲突。

3、本发明的lorawan通讯模块采用主动上传模式将用户比较关心的数据定时主动上传到网关；替换了传统的被动读取的方式，解决了数据传输过程中的不稳定性，时效性低和数据被动招读失败率高的问题；同时，该主动上传的方式实时性高，丢包率小，数据更新及时，方便用户快速了解电能表用电情况。

4、本发明的lorawan电能表，结构简单，可以在原有电能表的基础上增加lorawan通讯模块，无需对电能表的原有结构进行大的改动，装配简单，易于普及，通用性好，具有较高的经济价值。

附图说明

图1为本发明实施例的电能表部件组成示意图。

图2为本发明实施例的继电器的驱动电路示意图。

图3为本发明实施例的lorawan通信模块的接口电路示意图。

图4为本发明实施例的lorawan通信模块的供电电路示意图。

图5为本发明实施例的入网方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种快速入网机制的lorawan电能表，包括单片机、电源模块、电流采样模块、电压采样模块和存储器；电源模块用于给电能表供电；电流采样模块和电压采样模块分别用于采样电流信号和电压信号，并经过单片机传输至存储器。

上述lorawan电能表还包含有lorawan通讯模块，单片机采集通讯地址的后三位，并根据通讯地址的后三位计算延时供电入网的周期时间。单片机对其计算的周期时间进行自减运算，直至结果等于零时，单片机对lorawan通讯模块供电入网。

当多个电能表存在时，各电能表的周期时间相互错开。并且，当多个电能表的上电时间达到所有电能表的最大周期时间时，如果某个电能表的lorawan通讯模块没有入网，该电能表断开对自身lorawan通讯模块的供电，等待该电能表的周期时间后，重新上电。

因此，由多个电能表不同的后三位通讯地址，计算出不同的延时供电入网的周期时间；而自减运算至结果等于零所需时间与周期时间相同，如此达到了分时分组的效果，保证了各个电能表井然有序的先后入网。同时，当入网冲突时，先断开再重新上电，能够有效防止多个电能表入网时相互冲突。

优选地，电能表包含两个led指示灯，其中一个用于在电能表有负载输出时闪烁，另一个在lorawan通讯模块成功入网后点亮，能够直接通过观察两个指示灯的状态判断电能表的工作状态及lorawan通讯模块的入网状态。本实施例中，第一led指示灯用来表示负载输出，第二led指示灯用来表示成功入网。

优选地，电能表还包含继电器和跳闸指示灯；继电器处于常闭状态，当电能表过载时，继电器断开，跳闸指示灯常亮。

如图2所示，为继电器的一个实施例，继电器的驱动电路采用4个三极管和电阻组成，单片机的两个控制信号脚分别输出高低电平经限流电阻分别传送到9013(q8和q9)的基极，而q8和q9的基极均接有100kω的下拉电阻，可输出合适的低电平信号。2个9012(q5和q6)三极管的发射极接+12v电压，其集电极并联电阻电容后分别接到实物继电器的驱动信号线上，实现顺利拉合闸。

在本实施例中，电流采样模块和电压采样模块将采样到的电流信号和电压信号分别经过数字处理后，转换为脉冲频率信号，并发送给单片机；单片机根据脉冲频率信号进行电量叠加计算并存储在存储器中。具体地，存储器中存储的是电能表多次使用的过程中电量叠加之和。

在本实施例中，电能表的电源模块、电压采样模块、电流采样模块、单片机、存储器、lorawan通讯模块以及三个指示灯均集成在一块pcb电路板上。

如图3所示，在lorawan通信模块的接口电路中，lorawan通信模块的接收发送脚直接与单片机的串口uart连接，实现点对点透传数据。具体地，lorawan通信模块3脚和4脚直接与单片机的uart接口连接。电能表上电后，lorawan通信模块根据入网机制成功入网关连接后，lorawan通信模块的5脚会输出高电平使第二led指示灯持续点亮，告诉用户lorawan已入网，可以进行通讯操作。

如图4所示，在lorawan通信模块的供电电路中，lorawan通信模块的供电电路以rohm的bd9677芯片为基础，该电路为dc-dc结构，具有宽电压输入和电压输出可调整的特点，能够提供500ma的电流输出，且能量转换效率高。lorawan通信模块的电压输出具有使能控制功能，单片机io口对bd9677的4脚进行输出控制，对lorawan通信模块进行供电。

具体地，220v交流电经电源模块整流后变为12v直流电，12v直流电给bd9677芯片供电，使bd9677芯片处于工作状态；当自减运算结果为零时，单片机对激活bd9677芯片的使能控制功能，使bd9677芯片输出3.3v电压，对lorawan通信模块供电，lorawan通信模块开始入网。

优选地，单片机型号采用v9821s，v9821s是一款高性能、低功耗的单相电能计量soc芯片，集成模拟前端、增强型8052内核、rtc、wdt、flash、sram和lcd驱动等功能模块，可适用于多种单相多功能电能表。同时，v9821s还内置电能计量模块，电压及电流经过采样后直接进入到单片机计量模块内部处理进行电量的叠加，其集成度高，功能多且成本低。

优选地，电源模块采用稳定的线性变压电源，当电能表接入220v交流电后，交流电经过电源模块整流后一部分输出给lorawan通讯模块，另一部分输出给除lorawan通讯模块外的其余部件。

具体地，线性变压电源具有两个不同绕组输出，一个绕组输出9v/20ma供给其他通讯部分(如rs485)，另一个绕组输出10.5v/120ma供给其它部件(包括lorawan通讯模块)。进一步地，电源电路设计须考虑420v电压情况，78l33前电压不能超过30v，也为保障高电压下不损坏变压器。在变压器初级间安装快速反映的三角热敏电阻，同时在输入电压线路的火线和零线安装压敏电阻来阻止雷击浪涌和高频脉冲传入电能表内。

优选地，lorawan通讯模块采用比较流行的低功耗广域网(lpwan)技术，将lorawan技术应用到电能表中，通过互联网技术实现通讯功能。具体地，采用市面上主流的lorunm120无线lorawan通信模块，将lorawan无线技术应用到电能表中。

该种型号的lorawan通信模块内置低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行，内部集成lorawan协议栈，支持classa/classc设备类型；其工作电压2.0v-3.6v，优选为3.3v。该lorawan通信模块封装尺寸小，大小仅有15.5mm×12mm×2.5mm，能够方便的嵌入到电能表中。同时，lorawan通信模块还包含内置天线或外置天线，具备远距离传输的功能。

优选地，存储器型号采用复旦微的fm24c256a，该存储器的最大擦写次数为1000万次，可方便地保存电量及其他参数状态。

如图5所示，基于上述lorawan电能表，还提供一种入网方法的实施例，该入网方法能使多个电能表快速的与网关连网并正常通讯，其步骤如下：

s1：各电能表上电，电能表的单片机均读取电能表的后三位通讯地址；其中，个位a0、十位a1和百位a2。

s2：单片机计算延时供电入网的周期时间t，t＝a0*m+a1*n+a2，单位均为秒。

其中，m为正常情况下电能表入网所需最大时间，n为设定的常数，用于差异化不同电能表的周期时间。

s3：单片机对t值进行自减运算t--，每一次t值都减1。

s4：判断每一次自减后的t值是否等于零；如果否，返回s3；如果是，进入s5。

s5：单片机对lorawan通讯模块进行供电。

s6：判断lorawan通讯模块在tmax时间内是否入网；如果否，切断对该lorawan通讯模块的供电，返回s2；如果是，进入s7；其中，tmax是所有电能表中t的最大值。

s7：点亮第二led指示灯，结束。

在入网之后，每个电能表均利用打包帧机制，采用主动上传模式将用户比较关心的数据(如当前用电量、电压、电流、功率和功率因数等)打包为数据帧格式，定时主动上传到网关；上传时间间隔用户可以根据需求自行设置。

在本实施例中，电能表包含两个led指示灯，分别为第一led指示灯和第二led指示灯；电能表有负载输出时，第一led指示灯闪烁，lorawan通讯模块成功入网后，第二led指示灯持续点亮。

优选地，根据任意两个通讯地址相邻的电能表的t值之差等于m，设定n值。具体地，根据tn+1-tn＝m，其中tn+1和tn分别为任意两个通讯地址相邻的电能表的t值。

具体地，a0、a1和a2的取值范围均为0～9，且均为整数；电能表入网所需时间m为10秒，根据tn+1-tn＝m，随机取多个连续的通讯地址的后三位，例如118、119、120和121等，即可算出常数n为100，此时，所述t值取值范围为0～999。

当m等于10且n等于100时，对应通讯地址的后三位例如为118、119、120和121，则t值分别为181、191、201和211，相邻两个t值的差值均为10秒，最大程度满足电能表入网所需时间。

当m等于10且n等于100，且通讯地址的后三位为0～1000，tmax等于999。

优选地，本发明同时上电的电能表台数不超过一千台，此时所有电能表均可根据通讯地址的后三位进行排序分组，且每个电能表的t值均不相同，进一步防止了多个电能表的入网冲突。

本发明实施例的工作原理如下：

当电能表接入220v交流电后，交流电经电源模块整流后给单片机和lorawan通讯模块等部件供电，使各电路能正常工作。

当有负载输出时，电流采样模块和电压采样模块将采样到的电流信号和电压信号经过数字处理后，转换成与功(单位千瓦时)成正比的脉冲频率信号发送至单片机，单片机根据脉冲频率信号进行电量叠加并存储在存储器中，同时脉冲频率信号通过第一led指示灯，使其闪烁。

当负载功率超过电能表的最大承受功率时，自动断开处于常闭状态的继电器，并点亮跳闸指示灯。

当多个电能表同时上电时，例如电能表台数为800，各自的lorawan通讯模块开始执行入网操作，每个lorawan通讯模块均读取其所在电能表的后三位通讯地址；根据后三位通讯地址，各自的单片机计算lorawan通讯模块延时供电入网的周期时间t，t＝a0*10+a1*100+a2，如此800台电能表的t值各不相同。

每个电能表的单片机对自身的t值进行自减运算，直至t等于零，单片机对lorawan通讯模块进行供电入网，如入网成功，则该电能表点亮自身的第二led指示灯。其中，自减运算至结果为零的时间等于t值。如此，800台电能表即可一台台的井然有序的完成入网。

当入网时间达到800个电能表中的tmax值时，如果某个电能表的lorawan通讯模块没有入网，该电能表切断对该lorawan通讯模块的供电，重新计算该电能表的t，再进行自减运算后供电入网。

当电能表入网成功后，lorawan通讯模块就会与单片机进行通讯，每个电能表均利用打包帧机制，采用主动上传模式将用户比较关心的数据(如当前用电量、电压、电流、功率和功率因数等)打包为数据帧格式，定时主动上传到网关；或者通过平台由lorawan通讯模块向单片机发起通讯请求，单片机再将响应的数据发送给lorawan通讯模块，完成通讯操作。这种模式充分利用了网关的特性(每个网关的上行有8个接收通道，而下行则只有一个发送通道)，将传统的被动读取替换为主动上传，解决了数据传输过程中的不稳定性，时效性低和数据被动招读失败率高的问题；相对地采用主动上传实时性高，丢包率小，数据更新及时，方便用户快速了解电能表用电情况。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。