基于藍牙通信的移動抄表終端的設(shè)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(shè)計。針對安卓設(shè)備的大量普及，藍牙技術(shù)具有低功耗、低成本的特點，設(shè)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(shè)計采用模塊化思想，設(shè)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。

引言

　　隨著建設(shè)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(guān)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(shù)來加強智能電表的信息化和安全管理?？紤]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(shù)優(yōu)勢^[1-2]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^[3-6]。

　　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^[7]。然而某些特定場合，仍需要人工抄表完成電能量結(jié)算^[8]。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^[9]。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^[9-10]，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(shù)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^[8-12]，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(shè)計方案。該方案系統(tǒng)由安卓設(shè)備、移動抄表終端、智能電表3部分組成。安卓設(shè)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(shè)備，是抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵，其硬件和軟件設(shè)計是否合理影響著抄表性能的穩(wěn)定。

1 硬件設(shè)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1為移動抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(gòu)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D1、D2選用IN5401，對電源有反向截止和保護作用。VZ1是TVS管，型號為MMBZ18VALT1，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(guān)。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、1×USB、1×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(shè)資源[13-14]保證了程序的編寫和硬件電路的設(shè)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Y1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(shè)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(shè)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=1k。R23、R24為UART線路上的抗干擾電阻，R23=R24=10 ?。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模塊電路。

　　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(fù)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(guān)斷電壓為5.8V。