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客户成功故事与项目成功案例

蓝牙无线低压抄表系统开发


目前,在大部分低压集抄项目中,表计和集中器之间的通信采用低压载波信道。低压载波信道虽然具有不用敷设通信线路,有效利用自身资源,电力线路传输电能数据的优点,但在低压载波信道的通信可靠性方面一直存在难以逾越的技术障碍。

蓝牙技术的自身优势,可以克服载波通信的种种缺陷。与其他现场有线连接的数据传输方式相比,蓝牙技术改变了现场环境布线困难的限制,能实现快速便捷的无线连接,且易于维护。

对比其他无线技术如红外线,蓝牙通信技术具有抗干扰强的优点,在不可预测的干扰源环境下(尤其是在较强烈的阳光下),红外线传输极易受到干扰,而蓝牙采用高速跳频和时分多址等技术,使干扰源不能按同样的规律跳频进行干扰,蓝牙通信可应用于各种恶劣的通信环境。同时,蓝牙不像红外传输协议那样,要求进行传输的设备之间必须对准对方,蓝牙使用全方向的无线微波进行传输,可以穿透墙壁以及其他非金属的障碍,所以蓝牙技术比其他无线通信技术更稳定。

一、蓝牙模块的构建

1.1蓝牙模块的硬件结构

文章选用经典的BlueCore2-Flash BC215159B型芯片来设计嵌入式蓝牙数据传输模块。。

BlueCore2芯片中的快闪式存储器Flash主要用于存储BlueCore2的程序代码和设置代码。USB和通用异步收发(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)标准接口,为与其他设备之间的通信提供了一种简单的通信机制。脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)接口为与其他硬件设备之间提供了一种双向的数字信号通道。串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)是一种同步串行外设接口,可以使微控制单元(MicroControl Unit,MCU)与各种外围设备以串行方式进行通信和交换信息,BlueCore2的串行外设接口为内部随机存储器(Random Access Memory,RAM)和外部存储器之间提供了一种有效的读写机制,用于装载、调试和效验应用软件。并行输入输出(Parallel Input/Output,PIO)端口是BlueCore2通用的输入/输出(Input and Output,I/O)接口。数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)单元将传输过来的数字信号执行设定的数学运算,从而达到转换或提取所需信号的目的。外部晶振(或外接晶振)(External Crystal Oscillator,XTAL)为芯片的工作提供时钟和数字脉冲。蓝牙模块接收信号的过程为:当2.4 GHz的蓝牙信号通过射频输入(Radio Frequency Input,RF IN)端口进入BlueCore2芯片后,经过调制解调单元进行解调,通过数字信号处理单元执行相关运算,并提取有用信号;该信号在内部存储器中进行存储,然后执行微处理单元的命令,将处理后的信号通过输入/输出接口发送出去。发送信号的过程则相反。

1.2蓝牙模块的软件架构

在进行蓝牙通道建立前,主、从设备之间要经历搜索、对频、建立连接等过程。所以,蓝牙模块的软件实现应包括协议栈、蓝牙建立过程、应用模型等的实现,蓝牙虚拟机栈的架构是蓝牙模块软件的核心组成部分。

在BlueCore2的内部只读存储器(Read OnlyMemory,ROM)中存储着蓝牙模块最重要的通信协议和相关程序,主要包括虚拟机(Virtual Machine,VM)应用软件、射频通信(Radio Frequency Communication,RFCOMM)协议、服务发现协议(Service Discovery Protocol,SDP)、链路管理(LinkManager,LM)和链路控制(Link Controller,LC)协议。其中,在蓝牙协议栈中定义的RFCOMM串行口,为蓝牙模块的各种应用提供了一个虚拟串口,该虚拟串口可以如标准有线串口一样使用,可支持在2个蓝牙设备之间同时保持高达60路的通信连接。RFCOMM既可针对直接互连设备之间的连接,也可实现蓝牙设备与网络接入设备之间的互连。蓝牙协议栈的体现形式为二进制码,用户只需要编写运行在RFCOMM之上的应用程序,对蓝牙协议栈起保护作用的应用程序将运行在虚拟机的解释器下。蓝牙服务发现协议(Service DiscoveryProtocol,SDP)主要是能让2个蓝牙设备相识并建立连接,是一个基于客户/服务器结构的协议。蓝牙规范还包含了一个符合标准的接口定义:主机控制器接口(Host Controller Interface,HCI),属于蓝牙协议栈的一部分。HCI驱动程序为主机(蓝牙模块的使用者)和主机控制器固件(蓝牙模块本身)之间的通信提供接口。

在程序代码编译完成后,可通过专用烧录设备写入蓝牙芯片。在正常工作情况下,蓝牙设备(如蓝牙集中器)通过运行蓝牙服务搜索协议自动搜索周边的其他蓝牙设备(如蓝牙中继器),并建立蓝牙信道,形成微网,从而实现与其他蓝牙设备之间数据通信的功能。

二、蓝牙抄表系统方案设计

在低功耗、短距离条件限制下,考虑障碍物、台区供电半径等因素,通过采用蓝牙自组网、自动中继的方式,实现低功耗、远距离、多障碍的数据传输,从而解决了传统的无线点对点通信方式无法满足对电力用户低压集抄与监控的技术难题。在基于蓝牙技术的低压集抄系统中,蓝牙通信网络主要由具有蓝牙模块的蓝牙集中器、蓝牙电能表、蓝牙采集器和蓝牙中继器等设备组成。现场使用蓝牙电能表,或在集中装表的每个计量表箱内安装1个蓝牙采集器,通过RS485接口采集表箱内电能表的数据,然后通过蓝牙网络将数据传输至公变台区的蓝牙集中器,集中器再通过GPRS移动专网将采集的数据传输至后台主站系统。

在基于蓝牙技术的低压集抄组网方案中,根据应用场景的不同,使用短距离蓝牙网络构建的本地网络主要有以下2种组网方案。

2.1蓝牙与RS485混合组网方案

采用蓝牙集中器(+蓝牙中继器)+蓝牙采集器+RS485电能表的组网方案网络结构如图3所示。

无线抄表系统网络架构

在此方案中,1个表箱的多个电能表通过自身的RS485接口与RS485总线进行连接,蓝牙采集器的下行通信口为RS485接口,通过RS485总线与一个表箱内的所有RS485电能表进行通信。蓝牙采集器的上行通信口为蓝牙接口,可以通过蓝牙通信链路直接与蓝牙集中器进行连接,也可以利用蓝牙中继器实现与蓝牙集中器的数据通信,蓝牙中继器可以由某个蓝牙采集器实现,也可以通过安装其他蓝牙中继设备来实现。蓝牙台区总表与蓝牙集中器安装在同一个计量箱内,通过蓝牙模块实现彼此之间的数据传输。

这种组网方案适合电能表集中安装的场合,也适合对原来较老的居民台区进行低压集抄改造,具有方案设计灵活、节约改造成本的优点。

2.2纯蓝牙设备组网方案

蓝牙集中器(+蓝牙采集器)+蓝牙电能表的纯蓝牙设备组网网络结构如图4所示。

纯蓝牙组网网络结构

在此方案中,电能表内置蓝牙模块可以直接或利用其他带有蓝牙模块的设备(如蓝牙采集器、蓝牙电能表等)进行中继,实现与蓝牙集中器之间的数据通信。

此方案适用于电能表安装较集中的场合,在每个电能表箱内可安装1个蓝牙采集器,蓝牙采集器采集到蓝牙居民表的数据后,上传至蓝牙集中器;也适合于电能表安装较分散的场合,如城市或农村一户一表的情况,每块蓝牙电表可通过相邻的蓝牙设备(如蓝牙电表、采集器等)进行中继,将数据传至蓝牙集中器。

2.3蓝牙集抄系统数据通信流程

蓝牙通信协议支持双向数据通信,蓝牙采集器作为蓝牙节点既可以采集、上传电能表数据,也可以接收来自蓝牙集中器下发的各种命令,同时在需要的情况下,也可以作为中继器,中继来自其他蓝牙节点的数据。在蓝牙自组网、自动中继的组网方式中,蓝牙采集器、蓝牙电能表等均可作为蓝牙中继设备使用。数据通信流程如图5所示。

图5 蓝牙抄表系统数据通信流程

主站下发的各种数据、命令到达蓝牙集中器后,直接或通过多个蓝牙节点进行中继,传送至目标蓝牙采集节点,目标蓝牙采集节点收到数据、命令后,将相应的数据、命令转发给电能表。也可以利用蓝牙网络实时性强的特点,由蓝牙节点将突发事件主动上传至信息采集主站,用于实时监控、故障告警、防窃电等。

电能表向采集主站上传数据时,首先由蓝牙采集节点进行数据接收,再直接或通过多个蓝牙中继节点,将数据传输到蓝牙集中器,由集中器对数据进行处理后,通过GPRS移动专网上传至采集主站。当蓝牙节点的直线距离较远,蓝牙采集节点间无法组成网络的情况下,可以通过加装蓝牙中继器的方式进行组网,从而实现蓝牙数据网的无缝数据传输。

总结

实践表明,采用蓝牙技术的无线抄表系统,相对载波抄表系统和红外抄表系统而言,具有很大的优越性。该系统既适用于电能表安装相对较分散的场合,如城市或农村一户一表的情况,也适用于电能表集中安装的场合。尤其对于较老的居民台区低压集抄改造,更是具有设计方案灵活,节约改造成本的突出优点。基于蓝牙技术的无线抄表系统特别适用于用户负载变化大、载波信道不稳定的场合,在电网质量恶劣,无法为载波提供良好信道的情况下,也可作为电力线载波通信的一种补充。

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