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藍牙無線低壓抄表系統開發


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通信線路,有效利用自身資源,電力線路傳輸電能數據的優點,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障礙。

藍牙技術的自身優勢,可以克服載波通信的種種缺陷。與其他現場有線連接的數據傳輸方式相比,藍牙技術改變了現場環境布線困難的限制,能實現快速便捷的無線連接,且易于維護。

對比其他無線技術如紅外線,藍牙通信技術具有抗干擾強的優點,在不可預測的干擾源環境下(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,使干擾源不能按同樣的規律跳頻進行干擾,藍牙通信可應用于各種惡劣的通信環境。同時,藍牙不像紅外傳輸協議那樣,要求進行傳輸的設備之間必須對準對方,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,所以藍牙技術比其他無線通信技術更穩定。

一、藍牙模塊的構建

1.1藍牙模塊的硬件結構

文章選用經典的BlueCore2-Flash BC215159B型芯片來設計嵌入式藍牙數據傳輸模塊。。

BlueCore2芯片中的快閃式存儲器Flash主要用于存儲BlueCore2的程序代碼和設置代碼。USB和通用異步收發(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)標準接口,為與其他設備之間的通信提供了一種簡單的通信機制。脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation,PCM)接口為與其他硬件設備之間提供了一種雙向的數字信號通道。串行外設接口(Serial Peripheral Interface,SPI)是一種同步串行外設接口,可以使微控制單元(MicroControl Unit,MCU)與各種外圍設備以串行方式進行通信和交換信息,BlueCore2的串行外設接口為內部隨機存儲器(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、調試和效驗應用軟件。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。數字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)單元將傳輸過來的數字信號執行設定的數學運算,從而達到轉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字脈沖。藍牙模塊接收信號的過程為:當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,經過調制解調單元進行解調,通過數字信號處理單元執行相關運算,并提取有用信號;該信號在內部存儲器中進行存儲,然后執行微處理單元的命令,將處理后的信號通過輸入/輸出接口發送出去。發送信號的過程則相反。

1.2藍牙模塊的軟件架構

在進行藍牙通道建立前,主、從設備之間要經歷搜索、對頻、建立連接等過程。所以,藍牙模塊的軟件實現應包括協議棧、藍牙建立過程、應用模型等的實現,藍牙虛擬機棧的架構是藍牙模塊軟件的核心組成部分。

在BlueCore2的內部只讀存儲器(Read OnlyMemory,ROM)中存儲著藍牙模塊最重要的通信協議和相關程序,主要包括虛擬機(Virtual Machine,VM)應用軟件、射頻通信(Radio Frequency Communication,RFCOMM)協議、服務發現協議(Service Discovery Protocol,SDP)、鏈路管理(LinkManager,LM)和鏈路控制(Link Controller,LC)協議。其中,在藍牙協議棧中定義的RFCOMM串行口,為藍牙模塊的各種應用提供了一個虛擬串口,該虛擬串口可以如標準有線串口一樣使用,可支持在2個藍牙設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備之間的連接,也可實現藍牙設備與網絡接入設備之間的互連。藍牙協議棧的體現形式為二進制碼,用戶只需要編寫運行在RFCOMM之上的應用程序,對藍牙協議棧起保護作用的應用程序將運行在虛擬機的解釋器下。藍牙服務發現協議(Service DiscoveryProtocol,SDP)主要是能讓2個藍牙設備相識并建立連接,是一個基于客戶/服務器結構的協議。藍牙規范還包含了一個符合標準的接口定義:主機控制器接口(Host Controller Interface,HCI),屬于藍牙協議棧的一部分。HCI驅動程序為主機(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,可通過專用燒錄設備寫入藍牙芯片。在正常工作情況下,藍牙設備(如藍牙集中器)通過運行藍牙服務搜索協議自動搜索周邊的其他藍牙設備(如藍牙中繼器),并建立藍牙信道,形成微網,從而實現與其他藍牙設備之間數據通信的功能。

二、藍牙抄表系統方案設計

在低功耗、短距離條件限制下,考慮障礙物、臺區供電半徑等因素,通過采用藍牙自組網、自動中繼的方式,實現低功耗、遠距離、多障礙的數據傳輸,從而解決了傳統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控的技術難題。在基于藍牙技術的低壓集抄系統中,藍牙通信網絡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備組成。現場使用藍牙電能表,或在集中裝表的每個計量表箱內安裝1個藍牙采集器,通過RS485接口采集表箱內電能表的數據,然后通過藍牙網絡將數據傳輸至公變臺區的藍牙集中器,集中器再通過GPRS移動專網將采集的數據傳輸至后臺主站系統。

在基于藍牙技術的低壓集抄組網方案中,根據應用場景的不同,使用短距離藍牙網絡構建的本地網絡主要有以下2種組網方案。

2.1藍牙與RS485混合組網方案

采用藍牙集中器(+藍牙中繼器)+藍牙采集器+RS485電能表的組網方案網絡結構如圖3所示。

無線抄表系統網絡架構

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與藍牙集中器的數據通信,藍牙中繼器可以由某個藍牙采集器實現,也可以通過安裝其他藍牙中繼設備來實現。藍牙臺區總表與藍牙集中器安裝在同一個計量箱內,通過藍牙模塊實現彼此之間的數據傳輸。

這種組網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進行低壓集抄改造,具有方案設計靈活、節約改造成本的優點。

2.2純藍牙設備組網方案

藍牙集中器(+藍牙采集器)+藍牙電能表的純藍牙設備組網網絡結構如圖4所示。

純藍牙組網網絡結構

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

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據后,上傳至藍牙集中器;也適合于電能表安裝較分散的場合,如城市或農村一戶一表的情況,每塊藍牙電表可通過相鄰的藍牙設備(如藍牙電表、采集器等)進行中繼,將數據傳至藍牙集中器。

2.3藍牙集抄系統數據通信流程

藍牙通信協議支持雙向數據通信,藍牙采集器作為藍牙節點既可以采集、上傳電能表數據,也可以接收來自藍牙集中器下發的各種命令,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點的數據。在藍牙自組網、自動中繼的組網方式中,藍牙采集器、藍牙電能表等均可作為藍牙中繼設備使用。數據通信流程如圖5所示。

圖5 藍牙抄表系統數據通信流程

主站下發的各種數據、命令到達藍牙集中器后,直接或通過多個藍牙節點進行中繼,傳送至目標藍牙采集節點,目標藍牙采集節點收到數據、命令后,將相應的數據、命令轉發給電能表。也可以利用藍牙網絡實時性強的特點,由藍牙節點將突發事件主動上傳至信息采集主站,用于實時監控、故障告警、防竊電等。

電能表向采集主站上傳數據時,首先由藍牙采集節點進行數據接收,再直接或通過多個藍牙中繼節點,將數據傳輸到藍牙集中器,由集中器對數據進行處理后,通過GPRS移動專網上傳至采集主站。當藍牙節點的直線距離較遠,藍牙采集節點間無法組成網絡的情況下,可以通過加裝藍牙中繼器的方式進行組網,從而實現藍牙數據網的無縫數據傳輸。

總結

實踐表明,采用藍牙技術的無線抄表系統,相對載波抄表系統和紅外抄表系統而言,具有很大的優越性。該系統既適用于電能表安裝相對較分散的場合,如城市或農村一戶一表的情況,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低壓集抄改造,更是具有設計方案靈活,節約改造成本的突出優點。基于藍牙技術的無線抄表系統特別適用于用戶負載變化大、載波信道不穩定的場合,在電網質量惡劣,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。

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