物聯(lián)網(wǎng)
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藍(lán)牙無線低壓抄表系統(tǒng)開發(fā)
目前，在大部分低壓集抄項(xiàng)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(shè)通信線路，有效利用自身資源，電力線路傳輸電能數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)障礙。
藍(lán)牙技術(shù)的自身優(yōu)勢，可以克服載波通信的種種缺陷。與其他現(xiàn)場有線連接的數(shù)據(jù)傳輸方式相比，藍(lán)牙技術(shù)改變了現(xiàn)場環(huán)境布線困難的限制，能實(shí)現(xiàn)快速便捷的無線連接，且易于維護(hù)。
對比其他無線技術(shù)如紅外線，藍(lán)牙通信技術(shù)具有抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在不可預(yù)測的干擾源環(huán)境下（尤其是在較強(qiáng)烈的陽光下），紅外線傳輸極易受到干擾，而藍(lán)牙采用高速跳頻和時分多址等技術(shù)，使干擾源不能按同樣的規(guī)律跳頻進(jìn)行干擾，藍(lán)牙通信可應(yīng)用于各種惡劣的通信環(huán)境。同時，藍(lán)牙不像紅外傳輸協(xié)議那樣，要求進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備之間必須對準(zhǔn)對方，藍(lán)牙使用全方向的無線微波進(jìn)行傳輸，可以穿透墻壁以及其他非金屬的障礙，所以藍(lán)牙技術(shù)比其他無線通信技術(shù)更穩(wěn)定。
一、藍(lán)牙模塊的構(gòu)建
1.1藍(lán)牙模塊的硬件結(jié)構(gòu)
文章選用經(jīng)典的BlueCore2-Flash BC215159B型芯片來設(shè)計嵌入式藍(lán)牙數(shù)據(jù)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(shè)置代碼。USB和通用異步收發(fā)（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）標(biāo)準(zhǔn)接口，為與其他設(shè)備之間的通信提供了一種簡單的通信機(jī)制。脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）接口為與其他硬件設(shè)備之間提供了一種雙向的數(shù)字信號通道。串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是一種同步串行外設(shè)接口，可以使微控制單元（MicroControl Unit，MCU）與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信和交換信息，BlueCore2的串行外設(shè)接口為內(nèi)部隨機(jī)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(jī)制，用于裝載、調(diào)試和效驗(yàn)應(yīng)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(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）單元將傳輸過來的數(shù)字信號執(zhí)行設(shè)定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而達(dá)到轉(zhuǎn)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(shù)字脈沖。藍(lán)牙模塊接收信號的過程為：當(dāng)2.4 GHz的藍(lán)牙信號通過射頻輸入（Radio Frequency Input，RF IN）端口進(jìn)入BlueCore2芯片后，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)單元進(jìn)行解調(diào)，通過數(shù)字信號處理單元執(zhí)行相關(guān)運(yùn)算，并提取有用信號；該信號在內(nèi)部存儲器中進(jìn)行存儲，然后執(zhí)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(fā)送出去。發(fā)送信號的過程則相反。
1.2藍(lán)牙模塊的軟件架構(gòu)
在進(jìn)行藍(lán)牙通道建立前，主、從設(shè)備之間要經(jīng)歷搜索、對頻、建立連接等過程。所以，藍(lán)牙模塊的軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)包括協(xié)議棧、藍(lán)牙建立過程、應(yīng)用模型等的實(shí)現(xiàn)，藍(lán)牙虛擬機(jī)棧的架構(gòu)是藍(lán)牙模塊軟件的核心組成部分。
在BlueCore2的內(nèi)部只讀存儲器（Read OnlyMemory，ROM）中存儲著藍(lán)牙模塊最重要的通信協(xié)議和相關(guān)程序，主要包括虛擬機(jī)（Virtual Machine，VM）應(yīng)用軟件、射頻通信（Radio Frequency Communication，RFCOMM）協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Service Discovery Protocol，SDP）、鏈路管理（LinkManager，LM）和鏈路控制（Link Controller，LC）協(xié)議。其中，在藍(lán)牙協(xié)議棧中定義的RFCOMM串行口，為藍(lán)牙模塊的各種應(yīng)用提供了一個虛擬串口，該虛擬串口可以如標(biāo)準(zhǔn)有線串口一樣使用，可支持在2個藍(lán)牙設(shè)備之間同時保持高達(dá)60路的通信連接。RFCOMM既可針對直接互連設(shè)備之間的連接，也可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備之間的互連。藍(lán)牙協(xié)議棧的體現(xiàn)形式為二進(jìn)制碼，用戶只需要編寫運(yùn)行在RFCOMM之上的應(yīng)用程序，對藍(lán)牙協(xié)議棧起保護(hù)作用的應(yīng)用程序?qū)⑦\(yùn)行在虛擬機(jī)的解釋器下。藍(lán)牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Service DiscoveryProtocol，SDP）主要是能讓2個藍(lán)牙設(shè)備相識并建立連接，是一個基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的協(xié)議。藍(lán)牙規(guī)范還包含了一個符合標(biāo)準(zhǔn)的接口定義：主機(jī)控制器接口（Host Controller Interface，HCI），屬于藍(lán)牙協(xié)議棧的一部分。HCI驅(qū)動程序?yàn)橹鳈C(jī)（藍(lán)牙模塊的使用者）和主機(jī)控制器固件（藍(lán)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(shè)備寫入藍(lán)牙芯片。在正常工作情況下，藍(lán)牙設(shè)備（如藍(lán)牙集中器）通過運(yùn)行藍(lán)牙服務(wù)搜索協(xié)議自動搜索周邊的其他藍(lán)牙設(shè)備（如藍(lán)牙中繼器），并建立藍(lán)牙信道，形成微網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)與其他藍(lán)牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的功能。
二、藍(lán)牙抄表系統(tǒng)方案設(shè)計
在低功耗、短距離條件限制下，考慮障礙物、臺區(qū)供電半徑等因素，通過采用藍(lán)牙自組網(wǎng)、自動中繼的方式，實(shí)現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離、多障礙的數(shù)據(jù)傳輸，從而解決了傳統(tǒng)的無線點(diǎn)對點(diǎn)通信方式無法滿足對電力用戶低壓集抄與監(jiān)控的技術(shù)難題。在基于藍(lán)牙技術(shù)的低壓集抄系統(tǒng)中，藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)主要由具有藍(lán)牙模塊的藍(lán)牙集中器、藍(lán)牙電能表、藍(lán)牙采集器和藍(lán)牙中繼器等設(shè)備組成?，F(xiàn)場使用藍(lán)牙電能表，或在集中裝表的每個計量表箱內(nèi)安裝1個藍(lán)牙采集器，通過RS485接口采集表箱內(nèi)電能表的數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至公變臺區(qū)的藍(lán)牙集中器，集中器再通過GPRS移動專網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺主站系統(tǒng)。
在基于藍(lán)牙技術(shù)的低壓集抄組網(wǎng)方案中，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，使用短距離藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的本地網(wǎng)絡(luò)主要有以下2種組網(wǎng)方案。
2.1藍(lán)牙與RS485混合組網(wǎng)方案
采用藍(lán)牙集中器（+藍(lán)牙中繼器）+藍(lán)牙采集器+RS485電能表的組網(wǎng)方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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(jìn)行連接，藍(lán)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(nèi)的所有RS485電能表進(jìn)行通信。藍(lán)牙采集器的上行通信口為藍(lán)牙接口，可以通過藍(lán)牙通信鏈路直接與藍(lán)牙集中器進(jìn)行連接，也可以利用藍(lán)牙中繼器實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙集中器的數(shù)據(jù)通信，藍(lán)牙中繼器可以由某個藍(lán)牙采集器實(shí)現(xiàn)，也可以通過安裝其他藍(lán)牙中繼設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙臺區(qū)總表與藍(lán)牙集中器安裝在同一個計量箱內(nèi)，通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)傳輸。
這種組網(wǎng)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(qū)進(jìn)行低壓集抄改造，具有方案設(shè)計靈活、節(jié)約改造成本的優(yōu)點(diǎn)。
2.2純藍(lán)牙設(shè)備組網(wǎng)方案
藍(lán)牙集中器（+藍(lán)牙采集器）+藍(lán)牙電能表的純藍(lán)牙設(shè)備組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在此方案中，電能表內(nèi)置藍(lán)牙模塊可以直接或利用其他帶有藍(lán)牙模塊的設(shè)備（如藍(lán)牙采集器、藍(lán)牙電能表等）進(jìn)行中繼，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙集中器之間的數(shù)據(jù)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(nèi)可安裝1個藍(lán)牙采集器，藍(lán)牙采集器采集到藍(lán)牙居民表的數(shù)據(jù)后，上傳至藍(lán)牙集中器；也適合于電能表安裝較分散的場合，如城市或農(nóng)村一戶一表的情況，每塊藍(lán)牙電表可通過相鄰的藍(lán)牙設(shè)備（如藍(lán)牙電表、采集器等）進(jìn)行中繼，將數(shù)據(jù)傳至藍(lán)牙集中器。
2.3藍(lán)牙集抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信流程
藍(lán)牙通信協(xié)議支持雙向數(shù)據(jù)通信，藍(lán)牙采集器作為藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)既可以采集、上傳電能表數(shù)據(jù)，也可以接收來自藍(lán)牙集中器下發(fā)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(lán)牙節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在藍(lán)牙自組網(wǎng)、自動中繼的組網(wǎng)方式中，藍(lán)牙采集器、藍(lán)牙電能表等均可作為藍(lán)牙中繼設(shè)備使用。數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。
主站下發(fā)的各種數(shù)據(jù)、命令到達(dá)藍(lán)牙集中器后，直接或通過多個藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，傳送至目標(biāo)藍(lán)牙采集節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)藍(lán)牙采集節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)、命令后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)、命令轉(zhuǎn)發(fā)給電能表。也可以利用藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)，由藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)將突發(fā)事件主動上傳至信息采集主站，用于實(shí)時監(jiān)控、故障告警、防竊電等。
電能表向采集主站上傳數(shù)據(jù)時，首先由藍(lán)牙采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，再直接或通過多個藍(lán)牙中繼節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿{(lán)牙集中器，由集中器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過GPRS移動專網(wǎng)上傳至采集主站。當(dāng)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的直線距離較遠(yuǎn)，藍(lán)牙采集節(jié)點(diǎn)間無法組成網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以通過加裝藍(lán)牙中繼器的方式進(jìn)行組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫數(shù)據(jù)傳輸。
總結(jié)
實(shí)踐表明，采用藍(lán)牙技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，相對載波抄表系統(tǒng)和紅外抄表系統(tǒng)而言，具有很大的優(yōu)越性。該系統(tǒng)既適用于電能表安裝相對較分散的場合，如城市或農(nóng)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(qū)低壓集抄改造，更是具有設(shè)計方案靈活，節(jié)約改造成本的突出優(yōu)點(diǎn)?；谒{(lán)牙技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)特別適用于用戶負(fù)載變化大、載波信道不穩(wěn)定的場合，在電網(wǎng)質(zhì)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(bǔ)充。
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