基于藍牙通信的移動抄表終端的設計

摘要：新型智能電表增加了電子標簽和電子封印要求，通過智能標簽和封印管理系統(tǒng)實現(xiàn)電子化、信息化管理，完善了計量部門日常對電表的巡檢監(jiān)督監(jiān)察。本文提出了一種適用于新型智能電表的移動抄表終端的方案設計。針對安卓設備的大量普及，藍牙技術具有低功耗、低成本的特點，設計了一種基于藍牙通信的抄收智能電表信息的方案。移動抄表終端的硬件設計采用模塊化思想，設計了電源管理電路、主控芯片控制電路、藍牙模塊電路、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，功能強大，可替代傳統(tǒng)手持抄表機完成智能電表的人工抄表，實現(xiàn)電子標簽和電子封印的信息采集。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www.eepw，com.cn/article/280690.htm

關鍵詞：藍牙；安卓設備；手持抄表；智能電表；RFID

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.19.013

引言

隨著建設國家智能電網(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越成為人們關注的焦點。國網(wǎng)電網(wǎng)公司于2013年出臺了新型智能電表的型式規(guī)范，進一步明確了智能電表的發(fā)展方向，要求增加電子標簽和電子封印技術來加強智能電表的信息化和安全管理。考慮到智能電表的實際情況，電子標簽采用了860～960MHz的工作頻段，該RFID技術優(yōu)勢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。

在電力行業(yè)，自動抄表系統(tǒng)提高了電能抄表的效率、準確性和可靠性，大大提高了電力企業(yè)營銷自動化和用電管理的現(xiàn)代化水平。然而某些特定場合，仍需要人工抄表完成電能量結算。當前大部分人工抄表模式仍然采用無線遠程集抄和手持抄表機的方式，近幾年出現(xiàn)的手機抄表系統(tǒng)實際上是人工抄表，手工錄入到手機中，再通過GPRS上傳到后臺系統(tǒng)，這種方式并沒有從真正意義上實現(xiàn)硬件自動抄表，不易推廣和為用戶所接受。傳統(tǒng)的手持抄表器不僅價格昂貴，存在性能不穩(wěn)定、抄表速度慢、易受干擾等弊端，而且只能完成對智能電表數(shù)據(jù)的采集，無法滿足新型智能電表電子標簽和電子封印信息的采集。

針對新型智能電表特點所出現(xiàn)的人工抄表空白，藍牙技術具有抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活、低功率、傳輸速率快等優(yōu)點，實現(xiàn)對智能電表真正意義上的手機抄表，本文提出了一種基于藍牙通信的移動抄表終端的設計方案。該方案系統(tǒng)由安卓設備、移動抄表終端、智能電表3部分組成。安卓設備通過藍牙建立與移動抄表終端的連接，實現(xiàn)對智能電表的數(shù)據(jù)采集，并將采集信息回傳手機顯示。移動抄表終端是整個系統(tǒng)的中間設備，是抄表系統(tǒng)的關鍵，其硬件和軟件設計是否合理影響著抄表性能的穩(wěn)定。

1 硬件設計

移動抄表終端對新型智能電表的數(shù)據(jù)采集分為3部分，包括表內(nèi)用戶用電信息、電表電子標簽信息和電子封印信息。圖l為移動抄表系統(tǒng)整體結構圖。

智能電表對外常見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簽和電子封印要求實現(xiàn)信息化、防偽防竊電管理。因此，移動抄表終端的硬件電路由電源模塊、藍牙模塊、紅外模塊、RS485模塊、高頻RFID （13.56MHz）模塊和超高頻RFID （860—960MHz）模塊6個部分組成。圖2為移動抄表終端的系統(tǒng)構成圖。

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模塊電路進行鋰電池的充電管理。指示燈HL3點亮表明充電正在進行：指示燈HL2點亮表明充電已經(jīng)完成：指示燈HL1點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Dl、D2選用IN5401，對電源有反向截止和保護作用。VZ1是TVS管，型號為MMB218VALT1，它的反向隔離電壓為14.5V，擊穿電壓為18V，用來保護BQ24103的充電引腳。

AN1為移動抄表終端的電源總開關。供電電壓分別經(jīng)過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，它既是儲能電容，也是濾波電容：C20=C34=0.1μF用來改善輸入電壓波紋；C75=C46=10μF，C21=C22=0.1μF，用來消除輸

出電壓的高低頻噪聲。LM1117

芯片是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器，其壓差在1.3V輸出，負載電流為1A時為1.3V：MP2259芯片可以通過R44和R47的外部電阻分壓實現(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)的藍牙模塊、RS485模塊、高頻模塊和單片機控制模塊都是+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增強型系列，最高工作頻率72MHz.配置了128K的flash存儲器和20K的RAM、三個16位普通定時器和一個高級定時器、2×SPI、2×I2C、3×USART、l×USB、l×CAN2.0、2（16）ADC和48個I/O引腳。強大的存儲空間和豐富的外設資源[13-14]保證了程序的編寫和硬件電路的設計。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Yl頻率為8M為主控芯片提供系統(tǒng)時鐘，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、基準電源引腳都加了電容進行高頻濾波抗EMC干擾措施，C11=C13=C14=C15=C16=C53=0.1μF.

1.3 藍牙接口模塊

移動抄表終端采用濟南華茂科技有限公司的藍牙模塊HM-06，該模塊只有13.5mm*18.5mm*2.3mm大小，半孔、沉金工藝，且通過了3386自動調(diào)頻處理，經(jīng)過CE認證，在空曠環(huán)境下與安卓設備可以實現(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)、設備名稱、匹配密碼等參數(shù)。

圖5是藍牙接口模塊電路圖，模塊工作電壓為+3.3V，電源采用單片機控制。Q2是P溝道MOS管SI2301DS，它的最大功耗為1.25W，柵極門限電壓（典型值）為2.5V。HL4為藍牙模塊狀態(tài)指示燈，藍牙空閑狀態(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=lk。R23、R24為UART線路上的抗干擾電阻，R23=R24=10Ω。藍牙模塊UART的默認通訊速率為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。圖6為RS485模塊

RS485模塊的工作電壓為+3.3V，電源通過Q5實現(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PTC電阻，在VA、VB端接雙向TVS管等保護措施。故F5、F6選用MF-R075的PTC自恢復保護絲，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，反向關斷電壓為5.8V。

RS485通信為差分信號傳輸，為消除在通信電纜中信號反射在通信過程中，在RS485通信終端加偏置電阻R36的方法減弱反射信號對通信的影響，R36的具體阻值需要根據(jù)實際線路進行調(diào)試確認。

1.5 紅外模塊

圖7是紅外模塊的通信電路。移動抄表終端的紅外模塊電源通過P溝道MOS管Q4實現(xiàn)控制。紅外接收器U6是AT138RV3，它的工作電壓是+5V，而單片機是+3V系統(tǒng)，故采用R31、R32分壓方式實現(xiàn)單片機數(shù)據(jù)接收采樣，R31=30k，R32=58k。紅外發(fā)射器HL5采用AT205B，抄表要求紅外通信距離大于5米，需要提高紅外發(fā)射功率保證通信距離，設計上三極管Q8工作在飽和狀態(tài)，Q8為NPN管2N8050。經(jīng)實際調(diào)試，三極管Q8基極電流為3mA，R20=lk；紅外發(fā)射電流為70mA左右，R30=50Q。

1.6 高頻RFID模塊

移動抄表終端選用了NXP公司的MF RC522進行高頻RFID（13.56MHz）的電路設計。芯片具有功耗低、尺寸小、成本低的優(yōu)點，支持ISO/IEC 14443A通信協(xié)議，可以通過SPI、I²C和串行UART方式實現(xiàn)與主控芯片的通信。電路設計中采用了通信速率更快的SPI方式。高頻RFID的具體硬件電路圖如圖8所示。

在天線的匹配中為保證產(chǎn)生一個盡可能強的電磁場，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調(diào)制后的信號。L1=L2=1μH，C7=C9=56pF，C6=C11=47pF，其組成的LC諧振電路對由包絡信號調(diào)制的13.56MHz的載波能量進行濾波。C3、C12、C5、Cl0、R5、R6組成了阻抗匹配電路，電阻電容值跟天線線圈設計有關。Cl、C13、Rl、R2組成了信號接收電路，其工作原理是利用了卡的響應信號在副載波的雙邊帶上都具有調(diào)制這一功能，進行的。信號接收使用了RC522內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電勢作為Rx管腳的輸入電勢。為了穩(wěn)定VMID輸出，需在VMI和GND之間連接一只電容C13。接收電路需在RX和VMID之間接一分壓電路。C13=O.lμF， Cl=0.1μF， R1=820ΩR2=5.lk。關于MFRC522的具體硬件電路設計及天線匹配設計見相關資料。

在實際測試中，高頻RFID模塊能與電子封印實現(xiàn)3cm的距離通訊（有效距離與電子封印功耗、電子封印天線大小、工作環(huán)境相關）。

1.7 超高頻RFID模塊

JT2860是一款由深圳捷通科技有限公司推出的超高頻RFID（ 902～928MHz）讀寫模塊，具有低功率輸出、體積小、貼片式模塊的特點，其最大輸出功率為24dBm，最大電流為200mA，功耗1.5w。模塊采用了40mm*40mm大小、3dBi的陶瓷天線，通信距離可達到o.8m～1.2m。支持IS018000-6C （EPC G2）協(xié)議，對外提供了UART通信接口，默認通信速率為9600bps。

圖9為超高頻模塊通信電路，模塊工作電壓為+5V，電源通過P溝道MOS管Ql實現(xiàn)控制。C19=0.1μF，C47=10μF，用來濾波和增強輸出電壓的電容。指示燈HL6在模塊讀卡時會閃爍點亮。模塊提供的UART接口電平為3V信號，與主控芯片STM32F103R8可以直接進行通信。

在實際測試中，超高頻模塊RFID讀取電子標簽的距離達到lOOcm，寫入距離達到15cm（有效距離與天線、電子標簽及工作環(huán)境相關）。

2 軟件設計

開啟電源總開關，移動抄表終端的藍牙模塊處于從設備空閑狀態(tài)，經(jīng)安卓設備建立連接后，主控芯片通過串口接收中斷實時監(jiān)測從藍牙模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，圖10為移動抄表終端的程序流程圖。

移動抄表終端的各個功能模塊是相互獨立的。為保證鋰電池的使用時長，降低功耗，除藍牙模塊外，其它功能模塊電源在終端開啟后都處于關閉狀態(tài)。主控芯片STM32F103R8上電后工作于STOP模式，通過USART接收藍牙數(shù)據(jù)喚醒。軟件流程上根據(jù)數(shù)據(jù)幀內(nèi)容選擇通信信道，打開信道模塊電源進行數(shù)據(jù)抄收。當移動抄表終端切換通信信道，需要關閉當前通信信道電源，再開啟需要工作的模塊電源。數(shù)據(jù)通信傳輸完畢，主控芯片進入STOP模式繼續(xù)保持低功耗。這種方式保證了移動抄表終端的功能模塊在軟硬件間的相互獨立，任一功能模塊故障不會影響到其它信道模塊的使用，同時最大限度減少了終端的耗電電流。

紅外抄表、RS485抄表，這兩種方式都可以實現(xiàn)對電能表信息的讀寫，通信協(xié)議符合DL/T 645-2007標準。高頻RFID讀取電子封印信息，通信的物理層協(xié)議符合ISO/IEC 14443A標準。超高頻RFID讀取電子標簽信息的物理層協(xié)議符合IS0 18000-6C標準。

3 安卓設備抄表軟件

安卓設備抄表軟件采用安卓系統(tǒng)進行研發(fā)，軟件包含四大功能：藍牙連接、智能電表數(shù)據(jù)抄收、電子標簽信息抄收、電子封印信息抄收。

目前安卓設備基本上都帶有藍牙功能，安卓設備抄表軟件首先開啟藍牙，搜索移動抄表終端完成密碼匹配，建立與移動抄表終端的藍牙通訊通道。圖11為安卓設備抄表軟件藍牙連接的運行截圖。

“藍牙連接”界面可以搜索周圍藍牙設備并建立一對一連接： “智能電表”界面可以完成對智能電表用電數(shù)據(jù)的抄收： “非接觸卡”界面實現(xiàn)智能電表電子封印信息的讀取：“UHF標簽”界面實現(xiàn)智能電表電子標簽信息的讀取。智能電表數(shù)據(jù)可以通過紅外、RS485方式進行抄收，移動抄表終端通過藍牙數(shù)據(jù)幀通信方式字節(jié)區(qū)分實現(xiàn)。圖12為智能電表數(shù)據(jù)抄收的運行截圖。

圖13為電子標簽和電子封印信息抄收的運行截圖。

4 結束語

針對新型智能電表的電子標簽和電子封印要求，文中從硬件和軟件兩個方面給出了一種基于藍牙通信的移動抄表終端的設計方案。通過在安卓設備安裝抄表軟件，建立藍牙連接，抄收用戶用電信息、電子標簽和電子封印信息，具有便捷、直觀的優(yōu)點，在電力智能化抄表領域具有重要的應用價值。