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(jìn)一步明確了智能電表的發(fā)展方向，要求增加電子標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(dāng)前大部分人工抄表模式仍然采用無線遠(yuǎn)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(biāo)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(lán)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(lán)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(lán)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(biāo)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(biāo)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(lán)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(jìn)行鋰電池的充電管理。指示燈HL3點亮表明充電正在進(jìn)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(hù)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(hù)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(fù)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(lán)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(zhǔn)電源引腳都加了電容進(jìn)行高頻濾波抗EMC干擾措施，C11=C13=C14=C15=C16=C53=0.1μF 。

　　1.3 藍(lán)牙接口模塊

　　移動抄表終端采用濟(jì)南華茂科技有限公司的藍(lán)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(rèn)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(lán)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(lán)牙模塊狀態(tài)指示燈，藍(lán)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(lán)牙模塊UART的默認(rèn)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(hù)。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(hù)措施。故F5、F6選用MF-R075的PTC自恢復(fù)保護(hù)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。

　　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(jìn)行調(diào)試確認(rèn)。

　　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(shè)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=1k;紅外發(fā)射電流為70mA左右，R30=50?。

　　1.6 高頻RFID模塊

　　移動抄表終端選用了NXP公司的MF RC522進(jìn)行高頻RFID(13.56MHz)的電路設(shè)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(shè)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(luò)信號調(diào)制的13.56MHz的載波能量進(jìn)行濾波。C3、C12、C5、C10、R5、R6組成了阻抗匹配電路，電阻電容值跟天線線圈設(shè)計有關(guān)。C1、C13、R1、R2組成了信號接收電路，其工作原理是利用了卡的響應(yīng)信號在副載波的雙邊帶上都具有調(diào)制這一功能進(jìn)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 =0.1μF，C1=0.1μF，R1=820?，R2=5.1k。關(guān)于MFRC522的具體硬件電路設(shè)計及天線匹配設(shè)計見相關(guān)資料[15-16]。

　　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(guān))。

　　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(dá)到0.8m~1.2m。支持ISO18000-6C(EPC G2)協(xié)議，對外提供了UART通信接口，默認(rèn)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Q1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(jìn)行通信。

　　在實際測試中，超高頻模塊RFID讀取電子標(biāo)簽的距離達(dá)到100cm，寫入距離達(dá)到15cm(有效距離與天線、電子標(biāo)簽及工作環(huán)境相關(guān))。

　　2 軟件設(shè)計

　　開啟電源總開關(guān)，移動抄表終端的藍(lán)牙模塊處于從設(shè)備空閑狀態(tài)，經(jīng)安卓設(shè)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(lán)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(lán)牙模塊外，其它功能模塊電源在終端開啟后都處于關(guān)閉狀態(tài)。主控芯片STM32F103R8上電后工作于STOP模式，通過USART接收藍(lán)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(jìn)行數(shù)據(jù)抄收。當(dāng)移動抄表終端切換通信信道，需要關(guān)閉當(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。超高頻RFID讀取電子標(biāo)簽信息的物理層協(xié)議符合ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。

　　3 安卓設(shè)備抄表軟件

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

　　目前安卓設(shè)備基本上都帶有藍(lán)牙功能，安卓設(shè)備抄表軟件首先開啟藍(lán)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(lán)牙通訊通道。圖11為安卓設(shè)備抄表軟件藍(lán)牙連接的運行截圖。

　　“藍(lán)牙連接”界面可以搜索周圍藍(lán)牙設(shè)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(biāo)簽”界面實現(xiàn)智能電表電子標(biāo)簽信息的讀取。

　　智能電表數(shù)據(jù)可以通過紅外、RS485方式進(jìn)行抄收，移動抄表終端通過藍(lán)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(biāo)簽和電子封印信息抄收的運行截圖。

　　4 結(jié)束語

　　針對新型智能電表的電子標(biāo)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(lán)牙通信的移動抄表終端的設(shè)計方案。通過在安卓設(shè)備安裝抄表軟件，建立藍(lán)牙連接，抄收用戶用電信息、電子標(biāo)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(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。