藍牙無線低壓抄表系統(tǒng)開發(fā)

目前，在大部分低壓集抄項目中，表計和集中器之間的通信采用低壓載波信道。低壓載波信道雖然具有不用敷設(shè)通信線路，有效利用自身資源，電力線路傳輸電能數(shù)據(jù)的優(yōu)點，但在低壓載波信道的通信可靠性方面一直存在難以逾越的技術(shù)障礙。

藍牙技術(shù)的自身優(yōu)勢，可以克服載波通信的種種缺陷。與其他現(xiàn)場有線連接的數(shù)據(jù)傳輸方式相比，藍牙技術(shù)改變了現(xiàn)場環(huán)境布線困難的限制，能實現(xiàn)快速便捷的無線連接，且易于維護。

對比其他無線技術(shù)如紅外線，藍牙通信技術(shù)具有抗干擾強的優(yōu)點，在不可預(yù)測的干擾源環(huán)境下（尤其是在較強烈的陽光下），紅外線傳輸極易受到干擾，而藍牙采用高速跳頻和時分多址等技術(shù)，使干擾源不能按同樣的規(guī)律跳頻進行干擾，藍牙通信可應(yīng)用于各種惡劣的通信環(huán)境。同時，藍牙不像紅外傳輸協(xié)議那樣，要求進行傳輸?shù)脑O(shè)備之間必須對準(zhǔn)對方，藍牙使用全方向的無線微波進行傳輸，可以穿透墻壁以及其他非金屬的障礙，所以藍牙技術(shù)比其他無線通信技術(shù)更穩(wěn)定。

一、藍牙模塊的構(gòu)建

1.1藍牙模塊的硬件結(jié)構(gòu)

文章選用經(jīng)典的BlueCore2-Flash BC215159B型芯片來設(shè)計嵌入式藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊。

BlueCore2芯片中的快閃式存儲器Flash主要用于存儲BlueCore2的程序代碼和設(shè)置代碼。USB和通用異步收發(fā)（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）標(biāo)準(zhǔn)接口，為與其他設(shè)備之間的通信提供了一種簡單的通信機制。脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）接口為與其他硬件設(shè)備之間提供了一種雙向的數(shù)字信號通道。串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是一種同步串行外設(shè)接口，可以使微控制單元（MicroControl Unit，MCU）與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信和交換信息，BlueCore2的串行外設(shè)接口為內(nèi)部隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）和外部存儲器之間提供了一種有效的讀寫機制，用于裝載、調(diào)試和效驗應(yīng)用軟件。并行輸入輸出（Parallel Input/Output，PIO）端口是BlueCore2通用的輸入/輸出（Input and Output，I/O）接口。數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）單元將傳輸過來的數(shù)字信號執(zhí)行設(shè)定的數(shù)學(xué)運算，從而達到轉(zhuǎn)換或提取所需信號的目的。外部晶振（或外接晶振）（External Crystal Oscillator，XTAL）為芯片的工作提供時鐘和數(shù)字脈沖。藍牙模塊接收信號的過程為：當(dāng)2.4 GHz的藍牙信號通過射頻輸入（Radio Frequency Input，RF IN）端口進入BlueCore2芯片后，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)單元進行解調(diào)，通過數(shù)字信號處理單元執(zhí)行相關(guān)運算，并提取有用信號；該信號在內(nèi)部存儲器中進行存儲，然后執(zhí)行微處理單元的命令，將處理后的信號通過輸入/輸出接口發(fā)送出去。發(fā)送信號的過程則相反。

1.2藍牙模塊的軟件架構(gòu)

在進行藍牙通道建立前，主、從設(shè)備之間要經(jīng)歷搜索、對頻、建立連接等過程。所以，藍牙模塊的軟件實現(xiàn)應(yīng)包括協(xié)議棧、藍牙建立過程、應(yīng)用模型等的實現(xiàn)，藍牙虛擬機棧的架構(gòu)是藍牙模塊軟件的核心組成部分。

在BlueCore2的內(nèi)部只讀存儲器（Read OnlyMemory，ROM）中存儲著藍牙模塊最重要的通信協(xié)議和相關(guān)程序，主要包括虛擬機（Virtual Machine，VM）應(yīng)用軟件、射頻通信（Radio Frequency Communication，RFCOMM）協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Service Discovery Protocol，SDP）、鏈路管理（LinkManager，LM）和鏈路控制（Link Controller，LC）協(xié)議。其中，在藍牙協(xié)議棧中定義的RFCOMM串行口，為藍牙模塊的各種應(yīng)用提供了一個虛擬串口，該虛擬串口可以如標(biāo)準(zhǔn)有線串口一樣使用，可支持在2個藍牙設(shè)備之間同時保持高達60路的通信連接。RFCOMM既可針對直接互連設(shè)備之間的連接，也可實現(xiàn)藍牙設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備之間的互連。藍牙協(xié)議棧的體現(xiàn)形式為二進制碼，用戶只需要編寫運行在RFCOMM之上的應(yīng)用程序，對藍牙協(xié)議棧起保護作用的應(yīng)用程序?qū)⑦\行在虛擬機的解釋器下。藍牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Service DiscoveryProtocol，SDP）主要是能讓2個藍牙設(shè)備相識并建立連接，是一個基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的協(xié)議。藍牙規(guī)范還包含了一個符合標(biāo)準(zhǔn)的接口定義：主機控制器接口（Host Controller Interface，HCI），屬于藍牙協(xié)議棧的一部分。HCI驅(qū)動程序為主機（藍牙模塊的使用者）和主機控制器固件（藍牙模塊本身）之間的通信提供接口。

在程序代碼編譯完成后，可通過專用燒錄設(shè)備寫入藍牙芯片。在正常工作情況下，藍牙設(shè)備（如藍牙集中器）通過運行藍牙服務(wù)搜索協(xié)議自動搜索周邊的其他藍牙設(shè)備（如藍牙中繼器），并建立藍牙信道，形成微網(wǎng)，從而實現(xiàn)與其他藍牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的功能。

二、藍牙抄表系統(tǒng)方案設(shè)計

在低功耗、短距離條件限制下，考慮障礙物、臺區(qū)供電半徑等因素，通過采用藍牙自組網(wǎng)、自動中繼的方式，實現(xiàn)低功耗、遠距離、多障礙的數(shù)據(jù)傳輸，從而解決了傳統(tǒng)的無線點對點通信方式無法滿足對電力用戶低壓集抄與監(jiān)控的技術(shù)難題。在基于藍牙技術(shù)的低壓集抄系統(tǒng)中，藍牙通信網(wǎng)絡(luò)主要由具有藍牙模塊的藍牙集中器、藍牙電能表、藍牙采集器和藍牙中繼器等設(shè)備組成。現(xiàn)場使用藍牙電能表，或在集中裝表的每個計量表箱內(nèi)安裝1個藍牙采集器，通過RS485接口采集表箱內(nèi)電能表的數(shù)據(jù)，然后通過藍牙網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至公變臺區(qū)的藍牙集中器，集中器再通過GPRS移動專網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺主站系統(tǒng)。

在基于藍牙技術(shù)的低壓集抄組網(wǎng)方案中，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，使用短距離藍牙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的本地網(wǎng)絡(luò)主要有以下2種組網(wǎng)方案。

2.1藍牙與RS485混合組網(wǎng)方案

采用藍牙集中器（+藍牙中繼器）+藍牙采集器+RS485電能表的組網(wǎng)方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在此方案中，1個表箱的多個電能表通過自身的RS485接口與RS485總線進行連接，藍牙采集器的下行通信口為RS485接口，通過RS485總線與一個表箱內(nèi)的所有RS485電能表進行通信。藍牙采集器的上行通信口為藍牙接口，可以通過藍牙通信鏈路直接與藍牙集中器進行連接，也可以利用藍牙中繼器實現(xiàn)與藍牙集中器的數(shù)據(jù)通信，藍牙中繼器可以由某個藍牙采集器實現(xiàn)，也可以通過安裝其他藍牙中繼設(shè)備來實現(xiàn)。藍牙臺區(qū)總表與藍牙集中器安裝在同一個計量箱內(nèi)，通過藍牙模塊實現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)傳輸。

這種組網(wǎng)方案適合電能表集中安裝的場合，也適合對原來較老的居民臺區(qū)進行低壓集抄改造，具有方案設(shè)計靈活、節(jié)約改造成本的優(yōu)點。

2.2純藍牙設(shè)備組網(wǎng)方案

藍牙集中器（+藍牙采集器）+藍牙電能表的純藍牙設(shè)備組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在此方案中，電能表內(nèi)置藍牙模塊可以直接或利用其他帶有藍牙模塊的設(shè)備（如藍牙采集器、藍牙電能表等）進行中繼，實現(xiàn)與藍牙集中器之間的數(shù)據(jù)通信。

此方案適用于電能表安裝較集中的場合，在每個電能表箱內(nèi)可安裝1個藍牙采集器，藍牙采集器采集到藍牙居民表的數(shù)據(jù)后，上傳至藍牙集中器；也適合于電能表安裝較分散的場合，如城市或農(nóng)村一戶一表的情況，每塊藍牙電表可通過相鄰的藍牙設(shè)備（如藍牙電表、采集器等）進行中繼，將數(shù)據(jù)傳至藍牙集中器。

2.3藍牙集抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信流程

藍牙通信協(xié)議支持雙向數(shù)據(jù)通信，藍牙采集器作為藍牙節(jié)點既可以采集、上傳電能表數(shù)據(jù)，也可以接收來自藍牙集中器下發(fā)的各種命令，同時在需要的情況下，也可以作為中繼器，中繼來自其他藍牙節(jié)點的數(shù)據(jù)。在藍牙自組網(wǎng)、自動中繼的組網(wǎng)方式中，藍牙采集器、藍牙電能表等均可作為藍牙中繼設(shè)備使用。數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。

主站下發(fā)的各種數(shù)據(jù)、命令到達藍牙集中器后，直接或通過多個藍牙節(jié)點進行中繼，傳送至目標(biāo)藍牙采集節(jié)點，目標(biāo)藍牙采集節(jié)點收到數(shù)據(jù)、命令后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)、命令轉(zhuǎn)發(fā)給電能表。也可以利用藍牙網(wǎng)絡(luò)實時性強的特點，由藍牙節(jié)點將突發(fā)事件主動上傳至信息采集主站，用于實時監(jiān)控、故障告警、防竊電等。

電能表向采集主站上傳數(shù)據(jù)時，首先由藍牙采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)接收，再直接或通過多個藍牙中繼節(jié)點，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿{牙集中器，由集中器對數(shù)據(jù)進行處理后，通過GPRS移動專網(wǎng)上傳至采集主站。當(dāng)藍牙節(jié)點的直線距離較遠，藍牙采集節(jié)點間無法組成網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以通過加裝藍牙中繼器的方式進行組網(wǎng)，從而實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫數(shù)據(jù)傳輸。

總結(jié)

實踐表明，采用藍牙技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，相對載波抄表系統(tǒng)和紅外抄表系統(tǒng)而言，具有很大的優(yōu)越性。該系統(tǒng)既適用于電能表安裝相對較分散的場合，如城市或農(nóng)村一戶一表的情況，也適用于電能表集中安裝的場合。尤其對于較老的居民臺區(qū)低壓集抄改造，更是具有設(shè)計方案靈活，節(jié)約改造成本的突出優(yōu)點?；谒{牙技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)特別適用于用戶負載變化大、載波信道不穩(wěn)定的場合，在電網(wǎng)質(zhì)量惡劣，無法為載波提供良好信道的情況下，也可作為電力線載波通信的一種補充。

以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的藍牙抄表系統(tǒng)開發(fā)示例。如果您有無線集抄器方案開發(fā)需求，可以放心交給我們。我們代理多種單片機、語音芯片、雙模藍牙IC、wifi芯片。品牌有松翰單片機、應(yīng)廣單片機、杰理藍牙、安凱藍牙、全志、瑞昱（realtek）。我們的技術(shù)服務(wù)范圍有：PCB設(shè)計、單片機開發(fā)、藍牙方案、軟硬件定制開發(fā)、APP開發(fā)、小程序開發(fā)、微信公眾號開發(fā)等。還可以承接智能電子產(chǎn)品方案設(shè)計、生活電器開發(fā)、美容儀器研發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用、智能家居控制系統(tǒng)、TWS耳機、藍牙耳機音箱開發(fā)、兒童益智玩具方案開發(fā)、電子教育產(chǎn)品方案設(shè)計等。