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基于蓝牙通信的移动抄表终端的设计

时间:04-18 14:52 阅读:1420次

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简介：本文提出了一种适用于新型智能电表的移动抄表终端的方案设计。针对安卓设备的大量普及，蓝牙技术具有低功耗、低成本的特点，设计了一种基于蓝牙通信的抄收智能电表信息的方案。移动抄表终端的硬件设计采用模块化思想，设计了电源管理电路、主控芯片控制电路、蓝牙模块电路、RS485电路、红外电路、高频RFID(13.56MHz)电路和超高频RFID(860~960MHz)模块电路。

摘要：新型智能电表增加了电子标签和电子封印要求，通过智能标签和封印管理系统实现电子化、信息化管理，完善了计量部门日常对电表的巡检监督监察。本文提出了一种适用于新型智能电表的移动抄表终端的方案设计。针对安卓设备的大量普及，蓝牙技术具有低功耗、低成本的特点，设计了一种基于蓝牙通信的抄收智能电表信息的方案。移动抄表终端的硬件设计采用模块化思想，设计了电源管理电路、主控芯片控制电路、蓝牙模块电路、RS485电路、红外电路、高频RFID(13.56MHz)电路和超高频RFID(860~960MHz)模块电路。该方案成本低，功能强大，可替代传统手持抄表机完成智能电表的人工抄表，实现电子标签和电子封印的信息采集。

引言

随着建设国家智能电网概念的提出，智能电表的资产管理和信息化防窃电管理越来越成为人们关注的焦点。国网电网公司于2013年出台了新型智能电表的型式规范，进一步明确了智能电表的发展方向，要求增加电子标签和电子封印技术来加强智能电表的信息化和安全管理。考虑到智能电表的实际情况，电子标签采用了860~960MHz的工作频段，该RFID技术优势[1-2]改变了供电公司传统手工记录的备案方式，减少了工作量;电子封印采用了13.56MHz的工作频段，相比传统铅封具有更高的防伪性和防窃电效果[3-6]。

在电力行业，自动抄表系统提高了电能抄表的效率、准确性和可靠性，大大提高了电力企业营销自动化和用电管理的现代化水平[7]。然而某些特定场合，仍需要人工抄表完成电能量结算[8]。当前大部分人工抄表模式仍然采用无线远程集抄和手持抄表机的方式，近几年出现的手机抄表系统实际上是人工抄表，手工录入到手机中，再通过GPRS上传到后台系统，这种方式并没有从真正意义上实现硬件自动抄表，不易推广和为用户所接受[9]。传统的手持抄表器不仅价格昂贵，存在性能不稳定、抄表速度慢、易受干扰等弊端[9-10]，而且只能完成对智能电表数据的采集，无法满足新型智能电表电子标签和电子封印信息的采集。

针对新型智能电表特点所出现的人工抄表空白，蓝牙技术具有抗干扰能力强、组网灵活、低功率、传输速率快等优点[8-12]，实现对智能电表真正意义上的手机抄表，本文提出了一种基于蓝牙通信的移动抄表终端的设计方案。该方案系统由安卓设备、移动抄表终端、智能电表3部分组成。安卓设备通过蓝牙建立与移动抄表终端的连接，实现对智能电表的数据采集，并将采集信息回传手机显示。移动抄表终端是整个系统的中间设备，是抄表系统的关键，其硬件和软件设计是否合理影响着抄表性能的稳定。

1 硬件设计

移动抄表终端对新型智能电表的数据采集分为3部分，包括表内用户用电信息、电表电子标签信息和电子封印信息。图1为移动抄表系统整体结构图。

智能电表对外常见的通讯接口有红外和RS485两种方式，新型智能电表增加了电子标签和电子封印要求实现信息化、防伪防窃电管理。因此，移动抄表终端的硬件电路由电源模块、蓝牙模块、红外模块、RS485模块、高频RFID(13.56MHz)模块和超高频RFID(860~960MHz)模块6个部分组成。图2为移动抄表终端的系统构成图。

1.1 电源模块

电源模块的作用是为系统提供稳定的+5V和+3.3V的直流电压，图3为产生+5V、+3.3V直流电压和锂电池充电管理的电路图。

移动抄表终端用+9V~+12V外接电源或内部锂电池供电。采用外接+9V~+12V直流电压供电，使用BQ24103模块电路进行锂电池的充电管理。指示灯HL3点亮表明充电正在进行;指示灯HL2点亮表明充电已经完成;指示灯HL1点亮表明有有效的外接直流电源接入。R97、R98和R99为限流电阻，R97=R98=R99=3.3k。二极管D1、D2选用IN5401，对电源有反向截止和保护作用。VZ1是TVS管，型号为MMBZ18VALT1，它的反向隔离电压为14.5V，击穿电压为18V，用来保护BQ24103的充电引脚。

AN1为移动抄表终端的电源总开关。供电电压分别经过LM1117-3.3V和MP2259电源管理芯片产生稳定、精确的+3.3V和+5V的电压。其中，C38= C45=220μF，它既是储能电容，也是滤波电容;C20=C34=0.1μF用来改善输入电压波纹;C75=C46=10μF，C21=C22=0.1μF，用来消除输出电压的高低频噪声。LM1117芯片是一个低压差电压调节器，其压差在1.3V输出，负载电流为1A时为1.3V;MP2259芯片可以通过R44和R47的外部电阻分压实现+0.81V~+14V的输出电压，其中，R44 =49.9K，R47=9.53K，电阻精度误差为1%，产生高精度的+5V电压。

系统的蓝牙模块、RS485模块、高频模块和单片机控制模块都是+3.3V直流电压供电，红外模块和超高频模块采用+5V供电。

1.2 主控芯片控制模块

芯片STM32F103R8是一款基于ARM Corte-M3内核的32位闪存微控制器，它属于STM32增强型系列，最高工作频率72MHz，配置了128K的flash存储器和20K的RAM、三个16位普通定时器和一个高级定时器、2×SPI、2×I2C、3×USART、1×USB、1×CAN2.0、2(16)ADC和48个I/O引脚。强大的存储空间和丰富的外设资源[13-14]保证了程序的编写和硬件电路的设计。STM32F103R8外围控制电路如图5所示，程序烧录接口J5采用了SW模式代替JTAG模式，可以有效的减少布板面积，节省IO引脚资源。晶振Y1频率为8M为主控芯片提供系统时钟，匹配的起振电容C1=C2=30pF。在主控芯片的数字电源、模拟电源、基准电源引脚都加了电容进行高频滤波抗EMC干扰措施，C11=C13=C14=C15=C16=C53=0.1μF 。

1.3 蓝牙接口模块

移动抄表终端采用济南华茂科技有限公司的蓝牙模块HM-06，该模块只有13.5mm*18.5mm*2.3mm大小，半孔、沉金工艺，且通过了3386自动调频处理，经过CE认证，在空旷环境下与安卓设备可以实现近100米的通信距离。该模块采用了CSR BlueCore 芯片，配置了256Kb的软件存储空间，支持AT指令，可根据UART方式更改主从模式以及串口参数、设备名称、匹配密码等参数。

图5是蓝牙接口模块电路图，模块工作电压为+3.3V，电源采用单片机控制。Q2是P沟道MOS管SI2301DS，它的最大功耗为1.25W，栅极门限电压(典型值)为2.5V。HL4为蓝牙模块状态指示灯，蓝牙空闲状态指示灯闪烁，连接状态下指示灯常亮，R21为指示灯的限流电阻，R21=1k。R23、R24为UART线路上的抗干扰电阻，R23=R24=10 Ω。蓝牙模块UART的默认通讯速率为9600bps。

1.4 RS485模块

U2是ADI推出的单电源隔离型485芯片，型号为ADM2587E，2500V隔离电源、全/半双工、传输速率500K、共模电压抑制能力25KV/uS、±15KV的ESD保护。图6为RS485模块电路。

RS485模块的工作电压为+3.3V，电源通过Q5实现控制，Q5是P沟道MOS管SI2301DS。采用隔离芯片能有效的抑制高共模电压，但总线上还会存在浪涌冲击、电源线与485线短路、雷击等潜在危害，需要在VA、VB上各串一个PTC电阻，在VA、VB端接双向TVS管等保护措施。故F5、F6选用MF-R075的PTC自恢复保护丝，其维持电流为750mA，跳闸电流为1.5A。VD6选用双向瞬态抑制二极管SMBJ6.8CA，二极管的击穿电压为6.45V，反向关断电压为5.8V。

RS485通信为差分信号传输，为消除在通信电缆中信号反射在通信过程中，在RS485通信终端加偏置电阻R36的方法减弱反射信号对通信的影响，R36的具体阻值需要根据实际线路进行调试确认。

1.5 红外模块

图7是红外模块的通信电路。移动抄表终端的红外模块电源通过P沟道MOS管Q4实现控制。红外接收器U6是AT138RV3，它的工作电压是+5V，而单片机是+3V系统，故采用R31、R32分压方式实现单片机数据接收采样，R31=30k，R32=58k。红外发射器HL5采用AT205B，抄表要求红外通信距离大于5米，需要提高红外发射功率保证通信距离，设计上三极管Q8工作在饱和状态，Q8为NPN管2N8050。经实际调试，三极管Q8基极电流为3mA，R20=1k;红外发射电流为70mA左右，R30=50Ω。

1.6 高频RFID模块

移动抄表终端选用了NXP公司的MF RC522进行高频RFID(13.56MHz)的电路设计。芯片具有功耗低、尺寸小、成本低的优点，支持ISO/IEC 14443A通信协议，可以通过SPI、I2C和串行UART方式实现与主控芯片的通信。电路设计中采用了通信速率更快的SPI方式。高频RFID的具体硬件电路图如图8所示。

在天线的匹配中为保证产生一个尽可能强的电磁场，天线的输出能量必须保证足够的通带范围来传送调制后的信号。L1=L2=1μH，C7=C9=56pF，C6=C11=47pF，其组成的LC谐振电路对由包络信号调制的13.56MHz的载波能量进行滤波。C3、C12、C5、C10、R5、R6组成了阻抗匹配电路，电阻电容值跟天线线圈设计有关。C1、C13、R1、R2组成了信号接收电路，其工作原理是利用了卡的响应信号在副载波的双边带上都具有调制这一功能进行的。信号接收使用了RC522内部产生的VMID电势作为Rx管脚的输入电势。为了稳定VMID输出，需在VMI和GND之间连接一只电容C13。接收电路需在RX和VMID之间接一分压电路。C13 =0.1μF，C1=0.1μF，R1=820Ω，R2=5.1k。关于MFRC522的具体硬件电路设计及天线匹配设计见相关资料[15-16]。

在实际测试中，高频RFID模块能与电子封印实现3cm的距离通讯(有效距离与电子封印功耗、电子封印天线大小、工作环境相关)。

1.7 超高频RFID模块

JT2860是一款由深圳捷通科技有限公司推出的超高频RFID(902~928MHz)读写模块，具有低功率输出、体积小、贴片式模块的特点，其最大输出功率为24dBm，最大电流为200mA，功耗1.5W。模块采用了40mm*40mm大小、3dBi的陶瓷天线，通信距离可达到0.8m~1.2m。支持ISO18000-6C(EPC G2)协议，对外提供了UART通信接口，默认通信速率为9600bps。

图9为超高频模块通信电路，模块工作电压为+5V，电源通过P沟道MOS管Q1实现控制。C19=0.1μF，C47=10μF，用来滤波和增强输出电压的电容。指示灯HL6在模块读卡时会闪烁点亮。模块提供的UART接口电平为3V信号，与主控芯片STM32F103R8可以直接进行通信。

在实际测试中，超高频模块RFID读取电子标签的距离达到100cm，写入距离达到15cm(有效距离与天线、电子标签及工作环境相关)。

2 软件设计

开启电源总开关，移动抄表终端的蓝牙模块处于从设备空闲状态，经安卓设备建立连接后，主控芯片通过串口接收中断实时监测从蓝牙模块发送的数据，图10为移动抄表终端的程序流程图。

移动抄表终端的各个功能模块是相互独立的。为保证锂电池的使用时长，降低功耗，除蓝牙模块外，其它功能模块电源在终端开启后都处于关闭状态。主控芯片STM32F103R8上电后工作于STOP模式，通过USART接收蓝牙数据唤醒。软件流程上根据数据帧内容选择通信信道，打开信道模块电源进行数据抄收。当移动抄表终端切换通信信道，需要关闭当前通信信道电源，再开启需要工作的模块电源。数据通信传输完毕，主控芯片进入STOP模式继续保持低功耗。这种方式保证了移动抄表终端的功能模块在软硬件间的相互独立，任一功能模块故障不会影响到其它信道模块的使用，同时最大限度减少了终端的耗电电流。

红外抄表、RS485抄表，这两种方式都可以实现对电能表信息的读写，通信协议符合DL/T 645-2007标准。高频RFID读取电子封印信息，通信的物理层协议符合ISO/IEC 14443A标准。超高频RFID读取电子标签信息的物理层协议符合ISO 18000-6C标准。

3安卓设备抄表软件

安卓设备抄表软件采用安卓系统进行研发，软件包含四大功能：蓝牙连接、智能电表数据抄收、电子标签信息抄收、电子封印信息抄收。

目前安卓设备基本上都带有蓝牙功能，安卓设备抄表软件首先开启蓝牙，搜索移动抄表终端完成密码匹配，建立与移动抄表终端的蓝牙通讯通道。图11为安卓设备抄表软件蓝牙连接的运行截图。