基于蓝牙技术的电能计量系统设计与实现

1、基于蓝牙技术的电能计量系统基于蓝牙技术的电能计量系统设计与实现设计与实现 作者： 刘 南导师： 孙长海2010年10月18日论文的主要内容 一、电能计量系统 二、蓝牙技术研究 三、蓝牙电能计量装置设计 四、结论与展望 一、电能计量系统 电能计量系统是发电厂、供电企业及其他部门用于衡量自身和客户电能消费数量的计量仪器和抄表仪器的总称。它包括各种类型电能表，计量用的电压、电流互感器及其二次回路、电能计量柜、箱和手持抄表器、ic卡及抄表数据远程传送装置等。 电能是国民经济和人民生活极为重要的能源，电气化程度和管理现代化水平是衡量一个国家发达与否的重要标志。电力生产的特点是发电厂发电、供电部门供电、用

2、户用电这三个部门连成一个系统，不间断地同时完成。发、供、用电三方如何销售与购买电能、如何进行经济计算，直接关系到电力系统发电量、线损、煤耗、厂用电、供电量、用电量等各项技术经济指标的计算，同企业效益息息相关。因此，采用各种方法，提高电能计量的正确性，保证抄表人员能够按照约定的抄表例日抄回计量装置所统计的电量对发、供、用电三方有着重要的意义。 1、用户电能计量方法 按规定，大连供电公司每两月按例日对居民用户进行一次电能计算，每月按例日对非居民用户进行一次电能计算，并以此为依据计算电能损耗，向用户收取电费，电能计算主要有三种方式： （1）人工抄表计量 抄表人员手持便携式抄表器到客户装表处，抄出电能

3、表示数。这是最为古老的方式。 （2）ic卡抄表计量 采用预付费式，用户先用卡购电，然后才能使用。这种方式在大连的城市地区广泛使用。 （3）远程自动抄表计量 电能用户的用电量通过计量仪表计量后，由采集器采集，采集器通过网络传输到电力部门的管理中心。 远程自动抄表计量方式的局限性远程自动抄表计量方式的局限性 （1）远程抄表需要额外安装集中器和gprs远传装置，每年需向电信公司支付一定数额的数据传输费用，大连地区目前每年此项费用达到上千万元，过高的成本支出限制了它的大规模普及；此外，gprs远传装置费用较高，设备需要单独的空间放置，对城市集中表箱比较适应，集中表箱中至少有六块表，一个集中器同时传输六

4、块表的数据分摊了成本，但农村地区平房计量装置表箱较小，不更换表箱，就无法安装集中器；同时一个集中器只能传输一至两块表数据，成本较高，经济性较差。 2、电能计量方式的局限性 （2）远程抄表的表计485接口和集中器之间信号传输受电磁干扰等问题影响，有一定的可靠性问题，据统计，每次远传数据，都有大约10的表计数据无法上传，为确保用户电量及时抄回，不影响电量损耗统计分析，必须进行人工补抄。 由于远程抄表有自身的局限性，因此，灵活性较高、适应性较强的人工电能计量方式仍是目前必不可少的计量方式。 2、电能计量方式的局限性 人工抄表计量方式的局限性人工抄表计量方式的局限性 （1）抄表人员使用抄表器进行电能计

5、量时，读出表计示数后须键入抄表器，按键错误会导致抄表错误；农网地区大量表计位于电线杆上3米高的地方，表箱视窗受风吹日晒影响，污秽较多，示数读取困难，登杆抄表费时费力，还有可能发生安全问题。 （2）红外线电能计量时，抄表人员须将抄表器红外端口对准表计红外端口，中间不能有障碍物，若因环境限制（如表计位于狭窄通道中），则无法进行抄表。 （3）ic卡电能计量时，抄表人员须将ic卡插入表中电卡插槽，若表计位置不当（如位于封闭室内），就难以抄表。 2、电能计量方式的局限性 3、研究新的抄表技术手段的必要性 企业降低电能损耗工作要求电能计量系统准确、及时、可靠和方便地计量、传输电能数据，同时为防止抄表人员不

6、按例日随意抄表产生电量纠纷，供电企业对例日管理愈来愈严格，所有用户例日均被计算机严格控制， 国家电网公司规定：居民客户实抄率达99%以上，其他客户实抄率要达到100%。但是，目前的电能计量方式受技术条件限制，均有一定的不足，影响了抄表工作的正常开展，因此，有必要引入新的技术手段，改善现有电能计量系统的不足，提高电能计量系统的性能，方便抄表工作，推动供电企业营销管理工作深入开展。 3、对新的抄表技术的研究 新的抄表系统应该具有以下特点： 1、数据传输性能好，适应城市、农村不同的工作环境，方便抄表，可以穿越障碍物无线全向传输数据，确保抄表人员在不登高作业的情况下就可以抄到电杆上的表计示数。 2、成

7、本不高，具有良好的经济性。 3、功耗低、辐射低，环保性能好。 4、易于使用，数据传输准确、可靠。 5、同现有的电能计量设备（如电能表、抄表器）有良好的兼容性，可以很方便的整合到现有的电能计量设备之中。 3、对新的抄表技术的研究 目前主要的无线传输技术手段有两种：射频和红外线。红外线技术目前发展地非常成熟，开发成本低，价格低廉，但是，红外线只能进行直线数据传输，不能全向传输数据，不符合上述要求，因此选择射频技术。射频技术中，蓝牙技术发展得比较好，应用广泛，蓝牙模块体积很小，采用csr芯片的v2.0+edr蓝牙适配器体积只有22*18*7mm，仅比手指甲大一点。低功耗，成本低，普通蓝牙芯片价格只有

8、6.9元人民币，辐射低等特点，因此，蓝牙技术适用于开发新的电能计量系统。 4、蓝牙技术对电能计量系统局限性的改进 蓝牙技术对远程抄表局限性的改进蓝牙技术对远程抄表局限性的改进 远程电能计量系统可靠性问题的主要原因是：居民表将电能数据传到集中器主要采用低压电力线载波通信技术。在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。由于接收机无法完全消除电力线负荷电流对信号传输的干扰作用，造成信号传输不稳定，而且负荷电流愈大，信号愈不稳定。若改用蓝牙技术，电能数据不

9、经低压电力线直接无线传输到集中器，则能有效解决信号干扰问题。4、蓝牙技术对电能计量系统局限性的改进 蓝牙技术对人工抄表局限性的改进蓝牙技术对人工抄表局限性的改进 抄表人员使用蓝牙抄表器抄表时，工作效率和抄表质量将极大提高。蓝牙抄表器可直接搜索到附近区域表计，自动进行抄表，特别是位于电线杆上的表计和封闭室内（院内）的表计，抄表人员不需要爬杆或联系户主进入室内（院内），只需接近到抄表有效距离，就可进行抄表，这一点，对提高农网地区平房电能表计的抄表质量，保证抄表人员的人身安全尤为有效。 二、蓝牙技术研究 蓝牙工作在全球通用的24ghz ism频段。为了保证在噪杂的无线环境中安全可靠地工作，蓝牙特别设

10、计了“快速确认”和”跳频”方案以确保链路稳定。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，从而使蓝牙比其他系统都更稳定。 蓝牙系统支持两种连接，即点对点连接和点对多点连接，这样形成了两种网络拓扑结构：微微网(piconet)和散射网络(scatternet)。在一个piconet中，只有一个主单元(mater)，最多支持七个从单元(slave)与master建立通信。 蓝牙技术传送的三种功率类型为：100 mw，25mw和1mw。100mw的辐射距离是100m。 综合以上分析，蓝牙技术具有良好的设备兼容性和环境适应能力，为不同设备之间的数据传输带来极大的便利，可以广泛地应用于工程

11、领域。 1、蓝牙协议栈 蓝牙规范的核心部分就是协议栈。这个协议栈允许设备定位、互相连接并彼此交换数据，从而在蓝牙设备之间实现互操作性的交互式应用。蓝牙协议体系可以分为四层，包括核心协议层、替代电缆协议层、电话抨制协议层和选用协议层，每一层还包含一些具体的协议： （1）核心协议层：基带（bb）、链路管理协议(lmp)、逻辑链路控制和适配协议(l2cap)、服务发现协议(sdp)； （2）替代电缆协议：串行电路仿真协议(rfcomm)； （3）电话控制协议：二元电话控制规范(tcs binary)与at命令(at-command)； （4）选用协议：点到点协议(ppp)、用户数据报传输控制协议互联

12、网协议(udptcpip)、目标交换协议(0bex)、无线应用协议(wap)、无线应用环境(waf)、vcard、vcal。 1、蓝牙核心协议 蓝牙的核心协议由基带、链路管理、逻辑链路控制与适应协议和服务发现协议等四部分组成。从应用的角度看，射频、基带和lmp可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十分透明的。 （一）基带协议 基带协议确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成微微网。 （二）链路管理协议 链路管理协议不但负责蓝牙各设备间链路的建立和控制。还用于安全方而的鉴权和加密.另外还可以控制无线部分的能量模式和工作周期、微微网内各设备的连接状态。 1、蓝牙核心协议 （三）逻辑链路控制和适

13、配协议 逻辑链路控制与适配协议完成基带与高层协议间的适配，并通过协议发用、分割及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。 （四）服务发现协议 服务发现协议(sdp)是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分，它是所有应用模型的基础。任一蓝牙应用模型的实现都是利用某些服务的结果。 （五）替代电缆协议 串口是今天在计算机终端和通信终端设备上最常用的通信接口之一.大多数的串行通信都具有一条电缆，在串口之间传输数据。蓝牙大线通信的目标是替代电缆，支持串行通信及其相关应用是电缆替代使用模型的重要特征。 1、蓝牙核心协议 （六）电话控制协议 电话控制协议(tcs)包括二进制电话控制(tcs bin)协议和一套电话控

14、制命令(at-commands)。其中，tcs bin定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令；at commands则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由蓝牙sig组在itu-tq931的基础上开发而成。 以上为蓝牙核心协议，蓝牙硬件通过核心协议，实现数据传输功能，并体现其技术特点。蓝牙核心协议通过与点对点协议（ppp）、用户数据报协议/传输控制协议/万维网协议（tcp/udp/ip）、对象交换协议（obex）和天线应用协议（wap）等选用协议的共同使用，可以顺利地实现与互联网、移动电话和蓝牙终端机之间的数据交换。 2、蓝牙硬件模块 在蓝牙核心协议中，

15、hci 以上部分通常用软件实现，包括逻辑链路控制和适配协议（l2cap）、串行电路仿真协议（rfcomm）、链路管理协议(lmp)、替代电缆协议和电话控制协议；而hci以下部分则用硬件实现，包括基带协议（bb）和链路管理协议(lmp)，这部分也叫作蓝牙协议体系结构中底层蓝牙硬件模块。 蓝牙硬件模块主要由射频(rf)单元电路、基带层(base band)电路和链路管理层(lmp，link manger protocol)电路组成。 2、蓝牙硬件模块 （1）射频(rf)单元 rf单元电路为蓝牙技术提供了通信中物理层，也叫作蓝牙收发器，通过2.4ghz 微波，实现数据流过滤和传输。蓝牙协议提供了有关

16、蓝牙收发器各项技术指标。 （2）基带层电路 基带层提供了基带数字信号处理硬件，其功能是提供链路控制，因此也叫作基带及链路控制层电路。通过基带层电路，可以建立蓝牙通信网络中物理链路，从而形成微微网(piconet)。基带层中有两种物理链路，一种是面向连接同步链路(sco)，另一种是异步无连接链路(acl)。此外，基带层还可为语音和数据分组提供不同水平前向纠错(fec)或循环冗余度校验(crc)处理，并可对数据进行加密。同时，基带层电路还为不同类型数据(包括传输信息数据、链路管理和控制信息)提供特定信道。 2、蓝牙硬件模块 （3）链路管理层(lmp)电路 链路管理层电路也叫作链路管理器电路，功能是

17、提供链路管理通信协议。链路管理协议用来对链路进行设置和控制，并负责建立和撤销各蓝牙设备间连接、功率控制以及认证和加密，同时还控制蓝牙设备工作状态(保持hold、休眠park、呼吸sniff 和活动active )。链路管理层主要功能由软件完成，链路管理器电路提供运行于蓝牙设备处理器中软件，链路管理器之间通信协议称为链路管理协议(lmp) 。 蓝牙硬件模块结构图sramflashcpu通 用 异 步收发器通 用 串 行接口测试模块基带控制器无线收发器 2、蓝牙硬件模块 蓝牙硬件模块由微处理器(cpu)、无线收发器(rf)、基带控制器(bb)、闪存(flash程序存储器)、通用异步收发器uart(

18、universal asynchronous receiver transmitter)、通用串行接口usb(universal serial bus)及蓝牙测试模块组成。蓝牙其中无线收发器（rf）、基带控制器（bb）和链路管理层（lmp）为主要部分，目前大多数生产厂家都是利用片上系统技术soc（system-on-chip）将这三层功能模块集嵌在同一块芯片上。蓝牙基带控制器是关键部分，其主要功能是在微处理器控制下，实现蓝牙基带部分所有实时处理功能，包括负责对接收bit流进行符号定时提取和恢复，分组头及净荷循环冗余度校验(crc)，分组头及净荷前向纠错码fec处理，加密和解密处理等；且能提供从

19、基带控制器到其它芯片接口。cpu一般采用risc结构嵌入式微处理器，以满足对蓝牙核心协议高速处理和大量数据bit流处理要求。flash存储器用于存放基带和链路管理层中所有协议软件。sram作为cpu 运行空间，在工作时把flash中软件调入sram中处理。射频收发器负责接收或发送高频通信信号。uart和usb接口提供到hci主机控制器接口传输层物理连接，是上层协议与蓝牙硬件模块进行通信通道。蓝牙测试模块主要提供无线层和基带层认证和一致性规范，同时还管理产品生产和售后测试，为可选模块。 三、蓝牙电能计量装置设计 目前电能计量装置主要有电能表、抄表器以及远传系统的集中器等设备，电能表主要用于精确测

20、量用户各种电能参数，如电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、欠压和断相检测、谐波分析等，它相当于一个数据测量终端，提供各项用户电能数据；抄表器主要用于记录电能表所测量的各项用户电能参数，它相当于一个数据采集终端，抄表人员使用抄表器将用户电能参数携带到供电企业，并将数据传输到计算机中集中进行技术处理，远传抄表系统的集中器也起到同样的功能，只不过它通过无线系统传输数据，不需要人工携带至供电企业。 从上述分析可以看出，由于各种电能计量装置功能配套，数据传输格式统一，因此，只要开发出统一的蓝牙模块，分别应用至不同的电能计量装置中，即可实现蓝牙抄表的目的。 1、蓝牙模块 目前供应商提供的蓝牙模

21、块大致可分为2类，第1类为只实现了蓝牙链路控制功能的模块，第2类为蓝牙链路控制与嵌入式hci驱动功能均已实现的模块。这2类模块包括一个risc(精简指令集计算机)处理器，实现链路控制和hci功能。 如果选用集成了链路控制与hci驱动功能的蓝牙模块，那么就可以在一个比较完整的平台上进行开发。如果主机具有usb或uart接口，在蓝牙模块与主机信号电平兼容的情况下，接口连接可以不需要其它辅助硬件电路。许多情况下，usb或uart接口集成在主机的核心芯片上，所以可以实现蓝牙模块与主机的无缝接口。这种模型下的蓝牙技术应用开发，主要工作集中在蓝牙主机端软件的实现上，包括hci驱动程序与传输层驱动程序。正是

22、由于这种蓝牙模块实现了嵌入式hci协议，所以应用开发可以直接从hci层开始，避免了基带与射频的硬件实现，是一种全软件式的开发模式，开发成果具有很好的可移植性。 蓝牙无线数据采集设备的网络拓扑图 lcd微控器键盘蓝牙模块主设备蓝 牙 节 点 1（传感器）蓝 牙 节 点 2（传感器）蓝 牙 节 点 7（传感器）1、蓝牙模块 上图所示为蓝牙无线数据采集设备的网络拓扑图，它由主设备(或主节点)及传感器节点(处于激活状态的最多7个)构成。主设备通过自动或手动搜索方式连接已设定的从设备，分别请求7个从设备发送数据，然后将其接收保存和实时显示，在显示屏lcd上显示出从设备号、实时数据等。使用小键盘可以查看任

23、意已连接设备的当前数据。此外还可根据检测物理参数类型设置测量单位和数据格式等；通过主设备rs-232接口，可将数据向上位机传送。 1、蓝牙模块 上图所示为蓝牙无线数据采集设备的网络拓扑图，它由主设备(或主节点)及传感器节点(处于激活状态的最多7个)构成。主设备通过自动或手动搜索方式连接已设定的从设备，分别请求7个从设备发送数据，然后将其接收保存和实时显示，在显示屏lcd上显示出从设备号、实时数据等。使用小键盘可以查看任意已连接设备的当前数据。此外还可根据检测物理参数类型设置测量单位和数据格式等；通过主设备rs-232接口，可将数据向上位机传送。 1、蓝牙模块 蓝牙模块硬件主要由微控器、蓝牙模块

24、、键盘显示屏和电源等相关电路组成，主要实现一个数据采集终端的功能。 论文设计的蓝牙模块以w77e58微控制器为核心，采用bc219159b蓝牙接收模块接受数据,通过lcd液晶显示、按键选择进行数据处理。数据既可以以fat文件格式保存至内部存储器中，又可以通过串口传送给上位机电脑处理或保存。蓝牙模块的主要性能参数如下： 1、频段: 2. 4ghz2. 48ghz, ism band； 2、蓝牙协议:bluetoothv1. 2； 3、功率等级:class2 (+6dbm)； 4、操作电压: 2. 7v3. 3v； 5、支持端口:usb口、rs232口(最大波特率为1. 4mbps)、audioy

25、音频口、数字io口12条,两路模拟量输入； 6、工作温度: -40105。 蓝牙模块硬件图 1、蓝牙模块 蓝牙模块硬件主要由微控器、蓝牙模块、键盘显示屏和电源等相关电路组成，主要实现一个数据采集终端的功能。 论文设计的蓝牙模块以w77e58微控制器为核心，采用bc219159b蓝牙接收模块接受数据,通过lcd液晶显示、按键选择进行数据处理。数据既可以以fat文件格式保存至内部存储器中，又可以通过串口传送给上位机电脑处理或保存。蓝牙模块的主要性能参数如下： 1、频段: 2. 4ghz2. 48ghz, ism band； 2、蓝牙协议:bluetoothv1. 2； 3、功率等级:class2

26、(+6dbm)； 4、操作电压: 2. 7v3. 3v； 5、支持端口:usb口、rs232口(最大波特率为1. 4mbps)、audioy音频口、数字io口12条,两路模拟量输入； 6、工作温度: -40105。 2、蓝牙模块工作流程 蓝牙模块工作流程如下：上电后主设备首先进行初始化工作，包括键盘中断，存储器，串口中断，显示开机画面，设置波特率，蓝牙等初始化工作，然后进入功能菜单，通过按键选择需要执行的功能，去调用相应的程序执行，这些操作功能包括搜索蓝牙设备、连接或断开蓝牙设备、保存数据、上传数据等。按蓝牙模块工作流程要求，本设计采用mc51汇编语言编写了微控制器77e58完成对蓝牙hci的

27、初始化和控制程序，实现了主从设备的连接和传感器数据收发。 3、应用蓝牙技术的电子式多功能电能表 蓝牙模块完成开发后，即可将其应用用电能计量设备，由于上述蓝牙模块已经包括了控制器和键盘、显示屏，可以完全实现现有的抄表器功能，因此，对蓝牙抄表器的开发就不敷述，以下主要以蓝牙电子式多功能电能表为例，对应用蓝牙技术的电能表的开发进行说明。 3、应用蓝牙技术的电子式多功能电能表 目前电能表主要由检测、计量、控制、存储、显示、键盘、通信接口和电源等部分组成，它通过专用计量芯片来检测电信号，同时配以cpu编程来实现多种功能。系统总体框图如4.1所示。其中，检测部分由精密电流互感器、电压互感器和外围处理电路组

28、成，可将得到的电流、电压、频率、相位等实时数据输入到计量芯片中。计量芯片通过对各个输入信号进行计量，可将计量得到的各种电能参数输入到控制部分(即cpu中)，然后由cpu中的程序决定它将那些参数经过处理后送到存储器中储存，同时送到显示部分进行显示。显示部分采用液晶显示模块。通信接口为红外线抄表通信模块和rs-485集中抄表通信模块。 电子式多功能电能表总体结构框图 3、应用蓝牙技术的电子式多功能电能表 由于电子式多功能电能表自身有cpu，而且各项功能已经实现模块化，因此，在开发使用蓝牙技术的电能表时，不需全部移植上文所介绍的蓝牙模块，只需将蓝牙模块及附属电路移入即可，由于蓝牙模块和红外线抄表通信

29、模块功能相近，因此，也可以直接将红外线抄表通信模块取消，用蓝牙模块代替。蓝牙电子式多功能电能表通信方式切换电路见下图。主控制器单元用一个i/o口来控制蓝牙和rs-485通信方式的切换，9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关。蓝牙2.4ghz调制信号由cpu内部分频输出 。蓝牙电子式多功能电能表通信方式切换电路 3、应用蓝牙技术的电子式多功能电能表 蓝牙通信和rs-485共用一个串行口（rxd/txd）通信，由于串行口通信开始都有一低电平位（0），因此将蓝牙接收端（与485接收端用一三极管隔开）引到一中断引脚intp1，通过其引发的中断可判断串行口数据是否来自蓝牙。发送时按对应方式发送，使其不互相干扰。由于蓝牙通信和遥控接收用同一接收管，因此在判断蓝牙来源的中断中启动定时器inttm4检测蓝牙接收端，并根据定时检测遥控编码；否则判定为蓝牙产生的串行口接收中断，并将定时检测关闭。 蓝牙2.4ghz调制信号由cpu内部分频输出因蓝牙发送字节之间可选有1520ms的延时，而485通信则不需要延时。数据发送在发送中断中进行，蓝牙通信在发送操作后立即关闭发送中断允许，待延时时间到后再允许发送中断。 4、蓝牙计量系统工作流程 蓝牙计量系统工作流程如下： 1、