CN112616119A - 一种电能表蓝牙方式上行通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能表蓝牙方式上行通信方法，涉及电能表的无线通信领域。智能物联电能表逐渐取消了用于信息通信的辅助端子，增加了低功耗蓝牙等无线通信输出功能，利用传统485信号线进行通信的通道被切断，而采用载波通信或微功率无线方法通信则需要另加通信模块且容易遇到干扰和兼容性问题。本方法通过在II型集中器中内置蓝牙模块，并通过该蓝牙模块进行电能表向数据采集主站的上行通信，通信时采用蓝牙版本比对后按低版本进行兼容通信，并且在数据的交互通信阶段，采用多次重发的模式进行数据通信。可有效实现稳定可靠的电能表与数据采集主站的蓝牙通信，通信兼容性好，抗干扰能力强，提升了电力信息采集的效率。

Description

一种电能表蓝牙方式上行通信方法

技术领域

本发明涉及电能表的无线通信领域，尤其涉及一种电能表蓝牙方式上行通信方法。

背景技术

在电力行业中，II型集中器是连接安装式电能表和采集主站的重要数据中转枢纽，目前国网批量生产的II型集中器，在现场与已装出的电能表开展通信工作，存在以下亟待提升的地方：

检表环节，辅助端子多，接线复杂，效率不高；

现场安装，信号端子多，容易接错，安装速度难以提升，对检验验收要求高；

目前采用的485通信接口，各个设备间需要进行阻抗匹配，否则对组网，通讯速率，互联互通的实现有影响。再加上485组网各个设备共用总线的特点，无法实现停电、故障情况下的主动上报功能。

为了针对以上这些问题进行改进与提高，新的II型集中器通信技术有待引进。

随着无线通信技术的进步，在下一代智能物联电能表的设计规范中逐渐取消了用于通信信息的辅助端子，增加无线通信输出已成为新的趋势。在取消掉传统单相、三相电能表上辅助端子的情况下，利用传统485信号线进行通信的通道被切断，而采用载波通信或微功率无线方法通信则需要另加通信模块且容易遇到干扰和兼容性问题。因此为了保证装出后的电能表上行通信的顺利进行，亟需利用通用性和抗干扰能力较强的蓝牙信道开展计量设备的非接触方式通信。

考虑到蓝牙通信的基本特性：非接触。但表内蓝牙模块属于低功耗蓝牙，其功率不足以支撑和主站直接通信。而结合电能表现场应用场景，现有电能表箱周围存在的原有上行通信信道，如II型集中器，若可以作为蓝牙外设与电能表进行蓝牙方式通信，则可以利用蓝牙本身的链路层协议解决抗干扰和兼容性问题，保证数据链接可以高效地通过自动配对，握手建立，提升电力信息采集系统的运行效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种电能表蓝牙方式上行通信方法，以实现电能表与用电信息采集主站的蓝牙通信为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种电能表蓝牙方式上行通信方法，包括以下步骤：

1）电能表通过低功耗蓝牙BLE模块发送广播数据帧，包含其蓝牙芯片版本号的信息；

2）内设蓝牙模块的II型集中器若有通信需求，则接收对应电能表的广播数据帧，解析其中的蓝牙芯片版本信息，并与自身蓝牙芯片版本信息比对；

3）若II型集中器的蓝牙芯片版本高，则执行步骤4），若电能表的蓝牙芯片版本高，则执行步骤5）；

4）下发指令使蓝牙芯片按电能表的蓝牙芯片版本开展通信，然后执行步骤6）；

5）则II型集中器在进行链路层配对时发送其蓝牙芯片版本号，电能表收到后下发指令使蓝牙芯片按该版本开展通信，执行步骤6）；

6）II型集中器的蓝牙模块作为转换器完成与电能表的链路层配对并发送通信数据帧进行通信，利用II型集中器的蓝牙模块与用电信息采集主站的通信能力实现电能表与用电信息采集主站的通信。

通过内设蓝牙模块的II型集中器作为蓝牙通信中继，本方法可方便地实现电能表与用电信息采集主站之间的稳定高效的双向蓝牙数据通信，避免了电能表因只有低功耗蓝牙模块 不能与数据采集主站直接进行蓝牙数据传输的问题，相对于传统采用载波通信或微功率无线方法通信，通过蓝牙链路层防冲突设计和本方法中的协商机制，提升了通信的兼容性、可靠性和抗干扰能力，提升电力信息采集的效率。

作为优选技术手段：步骤6）中，电能表和II型集中器在蓝牙通信的数据交互阶段采用通信帧多次重发的方法进行通信，具体包括以下步骤：

601）在电能表或II型集中器发送数据时，其内部的管理控制芯片MCU一次性将需要传输的报文写入蓝牙模块缓存中，若报文长度超过射频载荷长度，则采用数据分帧，分为多个通信帧，在蓝牙模块中组帧发送，数据帧的表头部分包含本通信帧在报文中的序号，及首尾标志；

602）管理控制芯片MCU启动通信帧发送后，蓝牙模块切换成发射状态将缓存中的通讯报文发出，每个通信帧固定重发多次，内容完全一致，重发间隔Δt必须长于完成一个通信帧发送所需时间，若有下一帧时，完成后间隔Δti后开始下一个通信帧的发送流程；

603）蓝牙模块在接收到蓝牙检定脉冲通信帧时，利用链路层的校验技术验证数据完整性后将其写入模块缓存中，若该通信帧的帧序号已存在，则丢弃该通信帧，若该数据帧是报文中最后一个通信帧，则读取其序号，记为Nc，并查找缓存，检查1～Nc间所有帧序号是否已保存在缓存中，若是则将缓存中的报文通过URT串口传输至管理控制芯片MCU，结束后立刻自动切换为接收模式，用于接收蓝牙应答信号，否则向对端发送数据帧，数据域包含所有未保存的通信帧序号；

604）对端收到该通信帧后，重发对应序号的通信帧，仍利用通信帧多次重发的方法进行。在数据交互阶段采用重发机制可以有效减少数据帧丢失的概率，使数据传输更加稳定可靠。

作为优选技术手段：电能表和II型集中器的应答报文均存储于各自的蓝牙模块缓存中，管理控制芯片MCU可读取、清除蓝牙模块中的通讯报文、应答报文，管理控制芯片MCU在清除、写入、读取蓝牙模块缓存时，不得影响其数据收发的稳定性，蓝牙模块用于存储通讯报文的缓存容量应不小于一个完整报文的最大长度。

作为优选技术手段：用电信息采集主站可配置II型集中器上蓝牙模块的发射功率、频点、射频调制速率参数，参数配置表保存在II型集中器的管理控制芯片MCU中，通过II型集中器，用电信息采集主站可查询II型集中器与电能表的蓝牙连接状态。

作为优选技术手段：II型集中器内的蓝牙模块与II型集中器之间为可插拔模块结构，蓝牙模块插接于II型集中器控制管理芯片MCU的通信串口上。II型集中器可以利用串口收发通信数据，通过插接的蓝牙模块实现对电能表通信，蓝牙模块的可插拔结构便于维护和更换。

作为优选技术手段：II型集中器内的蓝牙模块包括蓝牙芯片、射频电路、晶振电路、退耦电容和复位电路，所述的蓝牙芯片通过URT串口、工作调试双模端脚与管理控制芯片MCU连接，所述的蓝牙芯片与射频电路、晶振电路、退耦电容和复位电路连接。

有益效果：

1、将蓝牙技术应用到II型集中器和电能表的通信工作中，无需有线连接即可实现通信报文的双向传递，可以满足取消了辅助端子的新一代多芯模组化智能电能表的上行通信需求；能够有效提高并行数据通信的效率，提高电力信息采集系统的通信效率，同时，蓝牙信道可以克服装出后的电能表无线通信中普遍存在的射频串扰、同频干扰等问题，能够确保多表位并行处理通信流程。

2、蓝牙模块与II型集中器现有通信串口的可插拔连接结构便于老一代II型集中器进行简单改造即具备与新一代智能物联电能表通信的能力，同时也能支持老一代电能表，并且相较于其他改造方案，具有成本优势大、改造简单改变少、便于推广实施等特点。

3、蓝牙通信的链路层有成熟的抗干扰手段，包括跳频、通信帧校验等技术。再加上本发明牙重发方式通信方法，使蓝牙信道相较于传统的微功率无线或载波信道拥有更强的抗电磁干扰能力，而且本发明提出的协商机制下兼容特性，因此对不同版本的蓝牙芯片具有很强的兼容性。

附图说明

图1是传统II型集中器模块连接示意图。

图2是本发明流程示意图。

图3是本发明II型集中器向电能表发送包含Nc个通信帧报文的转换时序图。

图4是本发明中II型集中器的蓝牙模块电路示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图2所示，一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其过程包括以下步骤：

1）电能表通过低功耗蓝牙BLE模块发送广播数据帧，包含其蓝牙芯片版本号v1的信息；

2）内设蓝牙模块的II型集中器若有通信需求，则接收对应电能表的广播数据帧，解析其中的蓝牙芯片版本信息，并与自身蓝牙芯片版本v2比对；

3）若II型集中器的蓝牙芯片版本v2较高，则执行步骤4），若电能表的蓝牙芯片版本v1较高，则执行步骤5），

4）则下发指令使蓝牙芯片按电能表的蓝牙芯片版本v1开展通信，然后执行步骤6）；

5）则II型集中器在进行链路层配对时发送其蓝牙芯片版本号v2，电能表收到后下发指令使蓝牙芯片按该版本开展通信，执行步骤6）；

6）II型集中器的蓝牙模块作为转换器完成与电能表的链路层配对并发送通信数据帧进行通信，利用II型集中器的上行通信信道实现电能表与数据采集主站的通信。

步骤6）中，电能表和II型集中器在蓝牙通信的数据交互阶段采用通信帧多次重发的方法进行通信，如图3所示为II型集中器向电能表发送包含Nc个通信帧报文的转换时序图，具体包括以下步骤：

601）在电能表或II型集中器发送数据时，其内部的管理控制芯片MCU一次性将需要信的报文写入蓝牙模块缓存中，若报文长度超过射频载荷长度，则采用数据分帧，分为多个通信帧，在蓝牙模块中组帧发送，数据帧的表头部分包含本通信帧在报文中的序号，及首尾标志；

602）管理控制芯片MCU启动通信帧发送后，蓝牙模块切换成发射状态将缓存中的通讯报文发出，每个通信帧固定重发3次，内容完全一致，重发间隔Δt必须长于完成一个通信帧发送所需时间，若有下一帧时，完成后间隔Δti后开始下一个通信帧的发送流程；

603）蓝牙模块在接收到蓝牙检定脉冲通信帧时，利用链路层的校验技术验证数据完整性后将其写入模块缓存中，若该通信帧的帧序号已存在，则丢弃该通信帧，若该数据帧是报文中最后一个通信帧，则读取其序号，记为Nc，并查找缓存，检查1～Nc间所有帧序号是否已保存在缓存中，若是则将缓存中的报文通过URT串口传输至管理控制芯片MCU，结束后立刻自动切换为接收模式，用于接收蓝牙应答信号，否则向对端发送数据帧，数据域包含所有未保存的通信帧序号；

604）对端收到该通信帧后，重发对应序号的通信帧，仍利用通信帧多次重发的方法进行。在数据交互阶段采用重发机制可以有效减少数据帧丢失的概率，使数据传输更加稳定可靠。

电能表和II型集中器的应答报文均存储于各自的蓝牙模块缓存中，管理控制芯片MCU可读取、清除蓝牙模块中的通讯报文、应答报文，管理控制芯片MCU在清除、写入、读取蓝牙模块缓存时，不得影响其数据收发的稳定性，蓝牙模块用于存储通讯报文的缓存容量应不小于一个完整报文的最大长度。

数据采集主站可配置II型集中器上蓝牙模块的发射功率、频点、射频调制速率参数，参数配置表保存在II型集中器的管理控制芯片MCU中，数据采集主站可查询II型集中器与电能表的蓝牙连接状态。

II型集中器内的蓝牙模块与II型集中器之间为可插拔模块结构，蓝牙模块插接于II型集中器的通信串口上。II型集中器可以利用串口收发通信数据，通过插接的蓝牙模块实现对电能表通信，而且将两个II型集中器内的蓝牙模块对换后，数据采集主站只需要通过上行通信接口将对换后的蓝牙模块芯片MAC地址写入管理芯，II型集中器即可正常工作且原有功能不受影响，便于维护和更换。

如图1所示为传统的II型集中器模块连接示意图，本实例针对传统II型集中器进行添加蓝牙模块的改造，如图4所示为添加的蓝牙模块电路示意图，包括蓝牙芯片、射频电路、晶振电路、退耦电容和复位电路，蓝牙芯片通过URT串口、工作调试双模端脚与管理控制芯片MCU连接，蓝牙芯片与射频电路、晶振电路、退耦电容和复位电路连接。

本实例选用蓝牙IS1871SF芯片，通过配置蓝牙天线射频电路以及芯片外围驱动来组建蓝牙通信端口，管理控制芯片MCU采用一路URT串口与蓝牙芯片通信，蓝牙芯片将蓝牙信号进行转换，由射频耦合电路发射或者接收。射频电路通过特殊天线配合特殊频率的滤波电路来实现信号的发送与接收，PCB上的射频走线（Tx，Rx和天线路径）的匹配阻抗为50Ω；晶振电路给芯片提供一个稳定的时钟频率；敏感管脚外接退耦电容，滤除杂波干扰；电源输入采用3.3V供电；蓝牙芯片内置1.55V的LDO，部分器件需要外部配置，1.55V供芯片内部使用；管理控制芯片MCU可以通过拉低该管脚来复位蓝牙芯片，当程序故障或者通信故障时，管理控制芯片MCU会主动控制蓝牙芯片通过复位电路复位，保障程序重运行后功能可以恢复正常；一路URT串口，支持与管理控制芯片串行全双工通信；P20端脚高电平为工作模式，低电平为调试模式，mcu控制，方便后续蓝牙功能升级与维护。II型集中器的蓝牙模块支持蓝牙抄表以及通过蓝牙作为上行维护功能。

通过内设蓝牙模块的II型集中器作为蓝牙方式上行通信信道，本方法可方便地实现电能表与数据采集主站之间的稳定高效的双向蓝牙数据通信，避免了电能表因取消了辅助端子，不能与数据采集主站直接进行有线通信数据传输的问题，相对于传统采用载波通信或微功率无线方法通信，通过蓝牙传输和本方法中的协商机制，提升了通信的兼容可靠性和抗干扰能力，提升电力信息采集的效率。

以上图2-4所示的一种电能表蓝牙方式上行通信方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其特征在于包括以下步骤：

1）电能表通过低功耗蓝牙BLE模块发送广播数据帧，包含其蓝牙芯片版本号的信息；

2）内设蓝牙模块的II型集中器若有通信需求，则接收对应电能表的广播数据帧，解析其中的蓝牙芯片版本信息，并与自身蓝牙芯片版本信息比对；

3）若II型集中器的蓝牙芯片版本较高，则执行步骤4），若电能表的蓝牙芯片版本较高，则执行步骤5）；

4）下发指令使蓝牙芯片按电能表的蓝牙芯片版本开展通信，然后执行步骤6）；

5）II型集中器在进行链路层配对时发送其蓝牙芯片版本号，电能表收到后下发指令使蓝牙芯片按该版本开展通信，执行步骤6）；

6）II型集中器的蓝牙模块作为转换器完成与电能表的链路层配对并发送通信数据帧进行通信，利用II型集中器的蓝牙模块与用电信息采集主站的通信信道实现电能表与用电信息采集主站的通信。

2.根据权利要求1所述的一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其特征在于：步骤6）中，电能表和II型集中器在蓝牙通信的数据交互阶段采用通信帧多次重发的方法进行通信，具体包括以下步骤：

601）在电能表或II型集中器发送数据时，其内部的管理控制芯片MCU一次性将需要传输的报文写入蓝牙模块缓存中，若报文长度超过射频载荷长度，则采用数据分帧，分为多个通信帧，在蓝牙模块中组帧发送，数据帧的表头部分包含本通信帧在报文中的序号，及首尾标志；

602）管理控制芯片MCU启动通信帧发送后，蓝牙模块切换成发射状态将缓存中的通讯报文发出，每个通信帧固定重发多次，内容完全一致，重发间隔Δt必须长于完成一个通信帧发送所需时间，若有下一帧时，完成后间隔Δti后开始下一个通信帧的发送流程；

603）蓝牙模块在接收到蓝牙检定脉冲通信帧时，利用链路层的校验技术验证数据完整性后将其写入模块缓存中，若该蓝牙检定脉冲通信帧的帧序号已存在，则丢弃该蓝牙检定脉冲通信帧，若数据帧是报文中最后一个通信帧，则读取其序号，记为Nc，并查找缓存，检查1～Nc间所有帧序号是否已保存在缓存中，若是则将缓存中的报文通过URT串口传输至管理控制芯片MCU，结束后立刻自动切换为接收模式，用于接收蓝牙应答信号，否则向对端发送数据帧，数据域包含所有未保存的通信帧序号；

604）对端收到该通信帧后，重发对应序号的通信帧，仍利用通信帧多次重发的方法进行。

3.根据权利要求2所述的一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其特征在于：电能表和II型集中器的应答报文均存储于各自的蓝牙模块缓存中，管理控制芯片MCU可读取、清除蓝牙模块中的通讯报文、应答报文，管理控制芯片MCU在清除、写入、读取蓝牙模块缓存时，不得影响其数据收发的稳定性，蓝牙模块用于存储通讯报文的缓存容量应不小于一个完整报文的最大长度。

4.根据权利要求1所述的一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其特征在于：用电信息采集主站可配置II型集中器上蓝牙模块的发射功率、频点、射频调制速率参数，参数配置表保存在II型集中器的管理控制芯片MCU中，通过II型集中器，用电信息采集主站可查询II型集中器与电能表的蓝牙连接状态。

5.根据权利要求1所述的一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其特征在于：II型集中器内的蓝牙模块与II型集中器之间为可插拔模块结构，蓝牙模块插接于II型集中器控制管理芯片MCU的通信串口上。

6.根据权利要求5所述的一种电能表蓝牙方式上行通信方法，其特征在于：II型集中器内的蓝牙模块包括蓝牙芯片、射频电路、晶振电路、退耦电容和复位电路，所述的蓝牙芯片通过URT串口、工作调试双模端脚与II型集中器的管理控制芯片MCU连接，所述的蓝牙芯片与射频电路、晶振电路、退耦电容和复位电路连接。

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