基于蓝牙技术的电能计量系统设计与实现ppt课件

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 刘 南导师： 孙长海2021年10月18日论文的主要内容 一、电能计量系统 二、蓝牙技术研讨 三、蓝牙电能计量安装设计 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本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安装等。 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程度是衡量一个国家兴隆与否的重要标志。电力消费的特点是发电厂发电、供电部门供电、用户用电这

2、三个部门连成一个系统，不延续地同时完成。发、供、用电三方如何销售与购买电能、如何进展经济计算，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目的的计算，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，保证抄表人员可以按照商定的抄表例日抄回计量安装所统计的电量对发、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展一次电能计算，每月按例日对非居民用户进展一次电能计算，并以此为根据计算电能损耗，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，抄出电能表示数。这是

3、最为古老的方式。 2IC卡抄表计量 采用预付费式，用户先用卡购电，然后才干运用。这种方式在大连的城市地域广泛运用。 3远程自动抄表计量 电能用户的用电量经过计量仪表计量后，由采集器采集，采集器经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 1远程抄表需求额外安装集中器和GPRS远传安装，每年需向电信公司支付一定数额的数据传输费用，大连地域目前每年此项费用到达上千万元，过高的本钱支出限制了它的大规模普及；此外，GPRS远传安装费用较高，设备需求单独的空间放置，对城市集中表箱比较顺应，集中表箱中至少有六块表，一个集中器同时传输六块表的数据分摊了本钱，但乡村地域平房计量安装表箱较小

4、，不改换表箱，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，本钱较高，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，必需进展人工补抄。 由于远程抄表有本身的局限性，因此，灵敏性较高、顺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 1抄表人员运用抄表器进展电能计量时，读出表计示数后须键入抄表器，按键错误解导致抄表错误；农网地域大量表计位于电线杆

5、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，还有能够发生平安问题。 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，中间不能有妨碍物，假设因环境限制如表计位于狭窄通道中，那么无法进展抄表。 3IC卡电能计量时，抄表人员须将IC卡插入表中电卡插槽，假设表计位置不当如位于封锁室内，就难以抄表。 2、电能计量方式的局限性 3、研讨新的抄表技术手段的必要性 企业降低电能损耗任务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厉，一切用户例日均被计算机严厉控制， 国

6、家电网公司规定：居民客户实抄率达99%以上，其他客户实抄率要到达100%。但是，目前的电能计量方式受技术条件限制，均有一定的缺乏，影响了抄表任务的正常开展，因此，有必要引入新的技术手段，改善现有电能计量系统的缺乏，提高电能计量系统的性能，方便抄表任务，推进供电企业营销管理任务深化开展。 3、对新的抄表技术的研讨 新的抄表系统应该具有以下特点： 1、数据传输性能好，顺应城市、乡村不同的任务环境，方便抄表，可以穿越妨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、本钱不高，具有良好的经济性。 3、功耗低、辐射低，环保性能好。 4、易于运用，数据传输准确、可靠

7、。 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讨 目前主要的无线传输技术手段有两种：射频和红外线。红外线技术目前开展地非常成熟，开发本钱低，价钱低廉，但是，红外线只能进展直线数据传输，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，蓝牙技术开展得比较好，运用广泛，蓝牙模块体积很小，采用CSR芯片的V2.0+EDR蓝牙适配器体积只需22*18*7mm，仅比手指甲大一点。低功耗，本钱低，普通蓝牙芯片价钱只需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

8、统局限性的改良 蓝牙技术对远程抄表局限性的改良 远程电能计量系统可靠性问题的主要缘由是：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讯技术。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纳方，接纳机经过耦合电路将高频信号分别，滤去干扰信号后放大，再经解调电路复原成二进制数字信号。由于接纳机无法完全消除电力线负荷电流对信号传输的干扰作用，呵斥信号传输不稳定，而且负荷电流愈大，信号愈不稳定。假设改用蓝牙技术，电能数据不经低压电力线直接无线传输到集中器，那么能有效处理信号干扰问题。4、蓝牙技术对电能计量系统局限性的改良 蓝牙技术对人工抄表局限性

9、的改良 抄表人员运用蓝牙抄表器抄表时，任务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，自动进展抄表，特别是位于电线杆上的表计和封锁室内院内的表计，抄表人员不需求爬杆或联络户主进入室内院内，只需接近到抄表有效间隔，就可进展抄表，这一点，对提高农网地域平房电能表计的抄表质量，保证抄表人员的人身平安尤为有效。 二、蓝牙技术研讨 蓝牙任务在全球通用的24GHz ISM频段。为了保证在噪杂的无线环境中平安可靠地任务，蓝牙特别设计了“快速确认和跳频方案以确保链路稳定。与其他任务在一样频段的系统相比，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。 蓝牙系统支持两种衔接，即点对点衔

10、接和点对多点衔接，这样构成了两种网络拓扑构造：悄然网(Piconet)和散射网络(scatternet)。在一个Piconet中，只需一个主单元(Mater)，最多支持七个从单元(slave)与Master建立通讯。 蓝牙技术传送的三种功率类型为：100 mW，25mW和1mW。100mW的辐射间隔是100m。 综合以上分析，蓝牙技术具有良好的设备兼容性和环境顺应才干，为不同设备之间的数据传输带来极大的便利，可以广泛地运用于工程领域。 1、蓝牙协议栈 蓝牙规范的中心部分就是协议栈。这个协议栈允许设备定位、相互衔接并彼此交换数据，从而在蓝牙设备之间实现互操作性的交互式运用。蓝牙协议体系可以分为四

11、层，包括中心协议层、替代电缆协议层、抨制协议层和选用协议层，每一层还包含一些详细的协议： 1中心协议层：基带BB、链路管理协议(LMP)、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、效力发现协议(SDP)； 2替代电缆协议：串行电路仿真协议(RFCOMM)； 3控制协议：二元控制规范(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网协议(UDPTCPIP)、目的交换协议(0BEX)、无线运用协议(WAP)、无线运用环境(WAF)、vCard、vCal。 1、蓝牙中心协议 蓝牙的中心协议由基带、链路管理、逻辑链路控制与顺应协议和

12、效力发现协议等四部分组成。从运用的角度看，射频、基带和LMP可以归为蓝牙的低层协议，它们对运用而言是非常透明的。 一基带协议 基带协议确保各个蓝牙设备之间的物理射频衔接，以构成悄然网。 二链路管理协议 链路管理协议不但担任蓝牙各设备间链路的建立和控制。还用于平安方而的鉴权和加密.另外还可以控制无线部分的能量方式和任务周期、悄然网内各设备的衔接形状。 1、蓝牙中心协议 三逻辑链路控制和适配协议 逻辑链路控制与适配协议完成基带与高层协议间的适配，并经过协议发用、分割及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。 四效力发现协议 效力发现协议(SDP)是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分，它是一切运用模型的

13、根底。任一蓝牙运用模型的实现都是利用某些效力的结果。 五替代电缆协议 串口是今天在计算机终端和通讯终端设备上最常用的通讯接口之一.大多数的串行通讯都具有一条电缆，在串口之间传输数据。蓝牙大线通讯的目的是替代电缆，支持串行通讯及其相关运用是电缆替代运用模型的重要特征。 1、蓝牙中心协议 六控制协议 控制协议(TCS)包括二进制控制(TCS BIN)协议和一套控制命令(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那么是一套可在多运用方式下用于控制挪动和调制解调器的命令，它由蓝牙SIG组在ITU-TQ931的根底上开发而

14、成。 以上为蓝牙中心协议，蓝牙硬件经过中心协议，实现数据传输功能，并表达其技术特点。蓝牙中心协议经过与点对点协议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和天线运用协议WAP等选用协议的共同运用，可以顺利地实现与互联网、挪动和蓝牙终端机之间的数据交换。 2、蓝牙硬件模块 在蓝牙中心协议中，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)、替代电缆协议和控制协议；而HCI以下部分那么用硬件实现，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构造中底层蓝牙硬

15、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讯中物理层，也叫作蓝牙收发器，经过2.4GHz 微波，实现数据流过滤和传输。蓝牙协议提供了有关蓝牙收发器各项技术目的。 2基带层电路 基带层提供了基带数字信号处置硬件，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。经过基带层电路，可以建立蓝牙通讯网络中物理链路，从而构成悄然网(piconet)。基带层中有两种物理链路，一种是面向衔接同步链路(SCO)，另一种是异步

16、无衔接链路(ACL)。此外，基带层还可为语音和数据分组提供不同程度前向纠错(FEC)或循环冗余度校验(CRC)处置，并可对数据进展加密。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，功能是提供链路管理通讯协议。链路管理协议用来对链路进展设置和控制，并担任建立和撤销各蓝牙设备间衔接、功率控制以及认证和加密，同时还控制蓝牙设备任务形状(坚持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转于蓝牙设备处置器中软件

17、，链路管理器之间通讯协议称为链路管理协议(LMP) 。 蓝牙硬件模块构造图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置器(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(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，目前大多数消费厂家都是利用片上系统技术SOCSy

18、stem-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置器控制下，实现蓝牙基带部分一切实时处置功能，包括担任对接纳bit流进展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处置，加密和解密处置等；且能提供从基带控制器到其它芯片接口。CPU普通采用RISC构造嵌入式微处置器，以满足对蓝牙中心协议高速处置和大量数据bit流处置要求。Flash存储器用于存放基带和链路管理层中一切协议软件。SRAM作为CPU 运转空间，在任务时把Flash中软件调入SRAM中处置。射频收发器担任接纳或发送高频通讯信号。UART和

19、USB接口提供到HCI主机控制器接口传输层物理衔接，是上层协议与蓝牙硬件模块进展通讯通道。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，同时还管理产品消费和售后测试，为可选模块。 三、蓝牙电能计量安装设计 目前电能计量安装主要有电能表、抄表器以及远传系统的集中器等设备，电能表主要用于准确丈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，它相当于一个数据丈量终端，提供各项用户电能数据；抄表器主要用于记录电能表所丈量的各项用户电能参数，它相当于一个数据采集终端，抄表人员运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展技术

20、处置，远传抄表系统的集中器也起到同样的功能，只不过它经过无线系统传输数据，不需求人工携带至供电企业。 从上述分析可以看出，由于各种电能计量安装功能配套，数据传输格式一致，因此，只需开发出一致的蓝牙模块，分别运用至不同的电能计量安装中，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)处置器，实现链路控制和HCI功能。 假设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好的平台上进展开发。假设主机具有U

21、SB或UART接口，在蓝牙模块与主机信号电平兼容的情况下，接口衔接可以不需求其它辅助硬件电路。许多情况下，USB或UART接口集成在主机的中心芯片上，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运用开发，主要任务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。正是由于这种蓝牙模块实现了嵌入式HCI协议，所以运用开发可以直接从HCI层开场，防止了基带与射频的硬件实现，是一种全软件式的开发方式，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

22、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(处于激活形状的最多7个)构成。主设备经过自动或手动搜索方式衔接已设定的从设备，分别恳求7个从设备发送数据，然后将其接纳保管和实时显示，在显示屏LCD上显示出从设备号、实时数据等。运用小键盘可以查看恣意已衔接设备的当前数据。此外还可根据检测物理参数类型设置丈量单位和数据格式等；经过主设备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(处于激活形状的最多7个)构成。主设备经过自动或手动搜索方式衔接已设定的从设备，分别恳求7个从

23、设备发送数据，然后将其接纳保管和实时显示，在显示屏LCD上显示出从设备号、实时数据等。运用小键盘可以查看恣意已衔接设备的当前数据。此外还可根据检测物理参数类型设置丈量单位和数据格式等；经过主设备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、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微控制器为中心，采用BC219159B蓝牙接纳模块接受数据,经过LCD液晶显示、按键选择进展数据处置。数据既可以以FAT文件格式保管至内部存储器中，又可以经过串口传送给上位机电脑处置或保管。蓝牙模块的主要性能参数如下

24、： 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音频口、数字IO口12条,两路模拟量输入； 6、任务温度: -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微控制器为中心，采用BC219159B蓝牙接纳模块接受数据,经过LCD液晶显

25、示、按键选择进展数据处置。数据既可以以FAT文件格式保管至内部存储器中，又可以经过串口传送给上位机电脑处置或保管。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音频口、数字IO口12条,两路模拟量输入； 6、任务温度: -40105。 2、蓝牙模块任务流程 蓝牙模块任务流程如下：上电后主设备首先进展初始化任务，包括键盘中断，存储器，串

26、口中断，显示开机画面，设置波特率，蓝牙等初始化任务，然后进入功能菜单，经过按键选择需求执行的功能，去调用相应的程序执行，这些操作功能包括搜索蓝牙设备、衔接或断开蓝牙设备、保管数据、上传数据等。按蓝牙模块任务流程要求，本设计采用MC51汇编言语编写了微控制器77E58完成对蓝牙HCI的初始化和控制程序，实现了主从设备的衔接和传感器数据收发。 3、运用蓝牙技术的电子式多功能电能表 蓝牙模块完成开发后，即可将其运用用电能计量设备，由于上述蓝牙模块曾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，对运用蓝牙技术的电能表

27、的开发进展阐明。 3、运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、通讯接口和电源等部分组成，它经过公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，检测部分由精细电流互感器、电压互感器和外围处置电路组成，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。计量芯片经过对各个输入信号进展计量，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中的程序决议它将那些参数经过处置后送到存储器中储存，同时送到显示部分进展显示。显示部分采用液晶显示模块。通讯接口为红外线抄表通讯模块和RS-485集

28、中抄表通讯模块。 电子式多功能电能表总体构造框图 3、运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本身有CPU，而且各项功能曾经实现模块化，因此，在开发运用蓝牙技术的电能表时，不需全部移植上文所引见的蓝牙模块，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讯模块功能相近，因此，也可以直接将红外线抄表通讯模块取消，用蓝牙模块替代。蓝牙电子式多功能电能表通讯方式切换电路见以下图。主控制器单元用一个I/O口来控制蓝牙和RS-485通讯方式的切换，9012、9014和假设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讯方式切

29、换电路 3、运用蓝牙技术的电子式多功能电能表 蓝牙通讯和RS-485共用一个串行口RxD/TxD通讯，由于串行口通讯开场都有一低电平位0，因此将蓝牙接纳端与485接纳端用一三极管隔开引到一中断引脚INTP1，经过其引发的中断可判别串行口数据能否来自蓝牙。发送时按对应方式发送，使其不相互关扰。由于蓝牙通讯和遥控接纳用同一接纳管，因此在判别蓝牙来源的中断中启动定时器INTTM4检测蓝牙接纳端，并根据定时检测遥控编码；否那么断定为蓝牙产生的串行口接纳中断，并将定时检测封锁。 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通讯那么不需求延时。数据发送在发送中断中进展，蓝牙通讯在发送操作后立刻封锁发送中断允许，待延时时间到后再允许发送中断。 4、蓝牙计量系统任务流程 蓝牙计量系统任务流程如下： 1、计算机同蓝牙抄表器相连，营销信息