基于藍(lán)牙通信的移動(dòng)抄表終端的設(shè)計(jì)

摘要：新型智能電表增加了電子標(biāo)簽和電子封印要求，通過(guò)智能標(biāo)簽和封印管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子化、信息化管理，完善了計(jì)量部門(mén)日常對(duì)電表的巡檢監(jiān)督監(jiān)察。本文提出了一種適用于新型智能電表的移動(dòng)抄表終端的方案設(shè)計(jì)。針對(duì)安卓設(shè)備的大量普及，藍(lán)牙技術(shù)具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙通信的抄收智能電表信息的方案。移動(dòng)抄表終端的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，設(shè)計(jì)了電源管理電路、主控芯片控制電路、藍(lán)牙模塊電路、RS485電路、紅外電路、高頻RFID(13.56MHz)電路和超高頻RFID(860~960MHz)模塊電路。該方案成本低，功能強(qiáng)大，可替代傳統(tǒng)手持抄表機(jī)完成智能電表的人工抄表，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽和電子封印的信息采集。

引言

　　隨著建設(shè)國(guó)家智能電網(wǎng)概念的提出，智能電表的資產(chǎn)管理和信息化防竊電管理越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)網(wǎng)電網(wǎng)公司于2013年出臺(tái)了新型智能電表的型式規(guī)范，進(jìn)一步明確了智能電表的發(fā)展方向，要求增加電子標(biāo)簽和電子封印技術(shù)來(lái)加強(qiáng)智能電表的信息化和安全管理。考慮到智能電表的實(shí)際情況，電子標(biāo)簽采用了860~960MHz的工作頻段，該RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)^[1-2]改變了供電公司傳統(tǒng)手工記錄的備案方式，減少了工作量;電子封印采用了13.56MHz的工作頻段，相比傳統(tǒng)鉛封具有更高的防偽性和防竊電效果^[3-6]。

　　在電力行業(yè)，自動(dòng)抄表系統(tǒng)提高了電能抄表的效率、準(zhǔn)確性和可靠性，大大提高了電力企業(yè)營(yíng)銷自動(dòng)化和用電管理的現(xiàn)代化水平^[7]。然而某些特定場(chǎng)合，仍需要人工抄表完成電能量結(jié)算^[8]。當(dāng)前大部分人工抄表模式仍然采用無(wú)線遠(yuǎn)程集抄和手持抄表機(jī)的方式，近幾年出現(xiàn)的手機(jī)抄表系統(tǒng)實(shí)際上是人工抄表，手工錄入到手機(jī)中，再通過(guò)GPRS上傳到后臺(tái)系統(tǒng)，這種方式并沒(méi)有從真正意義上實(shí)現(xiàn)硬件自動(dòng)抄表，不易推廣和為用戶所接受^[9]。傳統(tǒng)的手持抄表器不僅價(jià)格昂貴，存在性能不穩(wěn)定、抄表速度慢、易受干擾等弊端^[9-10]，而且只能完成對(duì)智能電表數(shù)據(jù)的采集，無(wú)法滿足新型智能電表電子標(biāo)簽和電子封印信息的采集。

　　針對(duì)新型智能電表特點(diǎn)所出現(xiàn)的人工抄表空白，藍(lán)牙技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、低功率、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)^[8-12]，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表真正意義上的手機(jī)抄表，本文提出了一種基于藍(lán)牙通信的移動(dòng)抄表終端的設(shè)計(jì)方案。該方案系統(tǒng)由安卓設(shè)備、移動(dòng)抄表終端、智能電表3部分組成。安卓設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙建立與移動(dòng)抄表終端的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表的數(shù)據(jù)采集，并將采集信息回傳手機(jī)顯示。移動(dòng)抄表終端是整個(gè)系統(tǒng)的中間設(shè)備，是抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵，其硬件和軟件設(shè)計(jì)是否合理影響著抄表性能的穩(wěn)定。

1 硬件設(shè)計(jì)

　　移動(dòng)抄表終端對(duì)新型智能電表的數(shù)據(jù)采集分為3部分，包括表內(nèi)用戶用電信息、電表電子標(biāo)簽信息和電子封印信息。圖1為移動(dòng)抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

　　智能電表對(duì)外常見(jiàn)的通訊接口有紅外和RS485兩種方式，新型智能電表增加了電子標(biāo)簽和電子封印要求實(shí)現(xiàn)信息化、防偽防竊電管理。因此，移動(dòng)抄表終端的硬件電路由電源模塊、藍(lán)牙模塊、紅外模塊、RS485模塊、高頻RFID(13.56MHz)模塊和超高頻RFID(860~960MHz)模塊6個(gè)部分組成。圖2為移動(dòng)抄表終端的系統(tǒng)構(gòu)成圖。

1.1 電源模塊

　　電源模塊的作用是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5V和+3.3V的直流電壓，圖3為產(chǎn)生+5V、+3.3V直流電壓和鋰電池充電管理的電路圖。

　　移動(dòng)抄表終端用+9V~+12V外接電源或內(nèi)部鋰電池供電。采用外接+9V~+12V直流電壓供電，使用BQ24103模塊電路進(jìn)行鋰電池的充電管理。指示燈HL3點(diǎn)亮表明充電正在進(jìn)行;指示燈HL2點(diǎn)亮表明充電已經(jīng)完成;指示燈HL1點(diǎn)亮表明有有效的外接直流電源接入。R97、R98和R99為限流電阻，R97=R98=R99=3.3k。二極管D1、D2選用IN5401，對(duì)電源有反向截止和保護(hù)作用。VZ1是TVS管，型號(hào)為MMBZ18VALT1，它的反向隔離電壓為14.5V，擊穿電壓為18V，用來(lái)保護(hù)BQ24103的充電引腳。

　　AN1為移動(dòng)抄表終端的電源總開(kāi)關(guān)。供電電壓分別經(jīng)過(guò)LM1117-3.3V和MP2259電源管理芯片產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的+3.3V和+5V的電壓。其中，C38= C45=220μF，它既是儲(chǔ)能電容，也是濾波電容;C20=C34=0.1μF用來(lái)改善輸入電壓波紋;C75=C46=10μF，C21=C22=0.1μF，用來(lái)消除輸出電壓的高低頻噪聲。LM1117芯片是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器，其壓差在1.3V輸出，負(fù)載電流為1A時(shí)為1.3V;MP2259芯片可以通過(guò)R44和R47的外部電阻分壓實(shí)現(xiàn)+0.81V~+14V的輸出電壓，其中，R44 =49.9K，R47=9.53K，電阻精度誤差為1%，產(chǎn)生高精度的+5V電壓。

　　系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊、RS485模塊、高頻模塊和單片機(jī)控制模塊都是+3.3V直流電壓供電，紅外模塊和超高頻模塊采用+5V供電。

1.2 主控芯片控制模塊

　　芯片STM32F103R8是一款基于ARM Corte-M3內(nèi)核的32位閃存微控制器，它屬于STM32增強(qiáng)型系列，最高工作頻率72MHz，配置了128K的flash存儲(chǔ)器和20K的RAM、三個(gè)16位普通定時(shí)器和一個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2×SPI、2×I²C、3×USART、1×USB、1×CAN2.0、2(16)ADC和48個(gè)I/O引腳。強(qiáng)大的存儲(chǔ)空間和豐富的外設(shè)資源[13-14]保證了程序的編寫(xiě)和硬件電路的設(shè)計(jì)。STM32F103R8外圍控制電路如圖5所示，程序燒錄接口J5采用了SW模式代替JTAG模式，可以有效的減少布板面積，節(jié)省IO引腳資源。晶振Y1頻率為8M為主控芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，匹配的起振電容C1=C2=30pF。在主控芯片的數(shù)字電源、模擬電源、基準(zhǔn)電源引腳都加了電容進(jìn)行高頻濾波抗EMC干擾措施，C11=C13=C14=C15=C16=C53=0.1μF 。

1.3 藍(lán)牙接口模塊

　　移動(dòng)抄表終端采用濟(jì)南華茂科技有限公司的藍(lán)牙模塊HM-06，該模塊只有13.5mm*18.5mm*2.3mm大小，半孔、沉金工藝，且通過(guò)了3386自動(dòng)調(diào)頻處理，經(jīng)過(guò)CE認(rèn)證，在空曠環(huán)境下與安卓設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)近100米的通信距離。該模塊采用了CSR BlueCore 芯片，配置了256Kb的軟件存儲(chǔ)空間，支持AT指令，可根據(jù)UART方式更改主從模式以及串口參數(shù)、設(shè)備名稱、匹配密碼等參數(shù)。

　　圖5是藍(lán)牙接口模塊電路圖，模塊工作電壓為+3.3V，電源采用單片機(jī)控制。Q2是P溝道MOS管SI2301DS，它的最大功耗為1.25W，柵極門(mén)限電壓(典型值)為2.5V。HL4為藍(lán)牙模塊狀態(tài)指示燈，藍(lán)牙空閑狀態(tài)指示燈閃爍，連接狀態(tài)下指示燈常亮，R21為指示燈的限流電阻，R21=1k。R23、R24為UART線路上的抗干擾電阻，R23=R24=10 ?。藍(lán)牙模塊UART的默認(rèn)通訊速率為9600bps。

1.4 RS485模塊

　　U2是ADI推出的單電源隔離型485芯片，型號(hào)為ADM2587E，2500V隔離電源、全/半雙工、傳輸速率500K、共模電壓抑制能力25KV/uS、±15KV的ESD保護(hù)。圖6為RS485模塊電路。

　　RS485模塊的工作電壓為+3.3V，電源通過(guò)Q5實(shí)現(xiàn)控制，Q5是P溝道MOS管SI2301DS。采用隔離芯片能有效的抑制高共模電壓，但總線上還會(huì)存在浪涌沖擊、電源線與485線短路、雷擊等潛在危害，需要在VA、VB上各串一個(gè)PTC電阻，在VA、VB端接雙向TVS管等保護(hù)措施。故F5、F6選用MF-R075的PTC自恢復(fù)保護(hù)絲，其維持電流為750mA，跳閘電流為1.5A。VD6選用雙向瞬態(tài)抑制二極管SMBJ6.8CA，二極管的擊穿電壓為6.45V，反向關(guān)斷電壓為5.8V。