CN113079225B - 基于多芯模组电表的外置通信模块及其IPv6通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多芯模组电表的外置通信模块及其IPv6通信方法，涉及电力产品中的计量设备技术领域，解决了多芯电表未能实现IPv6通讯的技术问题。一种外置通信模块包括主控单元、第一蓝牙及RF射频模块、第二蓝牙及RF射频模块、电源接口；所述第一蓝牙及RF射频模块集成在所述主控单元内部，能够对所述第二蓝牙及RF射频模块接收或发送的无线信号进行数字化处理；另一方面，还提供了一种IPv6的通信方法。本发明不仅实现了多芯电表的IPv6无线通信；同时，还能大大节省材料成本。

Description

基于多芯模组电表的外置通信模块及其IPv6通信方法

技术领域

本发明涉及电力产品中的计量设备技术领域，尤其涉及一种基于多芯模组电表的外置通信模块及其IPv6通信方法。

背景技术

互联网协议第6版(Internet Protocol Version 6，IPv6)是互联网工程任务组(IETF)设计的用于替代IPv4的下一代IP协议。IPv6的使用不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。IPv6的全面铺开是大势所趋，全球IPv6技术的发展不断推进。

多芯模组化电能表采用多芯模组化设计，主要由计量芯、管理芯、扩展功能模组等组成。我国标准体系对电能表的软件和硬件要求比较固化，电能表均为一体化设计，一旦出现硬件或软件故障，只能采取更换整表的方式来保障电力计量工作顺利进行。并且出于防止篡改电能表程序的安全角度考虑，目前的电能表不允许软件的在线升级，因此对越来越多的智能应用需求形成了限制。为此，我国在下一代智能电表标准上采用基于IR46(International Recommendation46)标准的双芯智能电表方案，核心解决的是计量功能与其他管理类功能的分离，支持非计量部分软件在线升级，且非计量部分的故障和升级不影响计量部分的准确性和稳定性。多芯电能表是对双芯智能电表的扩展。基于IR46的双芯智能电表标准方案，将电表功能分成计量芯和功能芯两个互不干扰的独立部分。计量芯部分完成的功能包括计量、电量数据存储、RTC计时等，计量芯独立运行，法制认证，不允许软件升级。管理芯部分包括智能电卡接口、ESAM、显示、存储器、负控管理和对外通信等功能。由于计量芯部分和管理芯部分各自独立自成系统，在新的电表方案中，计量部分和管理部分都会各自需要一颗MCU主控芯片，两颗主控完成的功能和核心关键指标也会不同，这是实现基于IR46标准的双芯电表方案的关键。

多芯模组化电能表作为新一代智能电表，其模组间通信及对外数据通信均需遵从DL/T 698.45(面向对象的用电信息数据交换协议)。目前，基于多芯电表的采集系统的架构设计如图1所示，管理芯作为整个多芯电表的管理模组，其负责管理其他各个模组(计量芯、扩展模块、外置扩展模块等)，收集其他模组的测量及状态信息，进行存储或者传输。

管理芯通过上行通信模块与远端的集中器进行数据通信，管理芯与上行模块间采用TTL电平进行数据通信。上行通信模块与远端集中器的通信模块间可采用HPLC(高速电力载波通讯)、RF(基于470MHz小无线通信)或者双模(HPLC&RF)进行数据透明传输，最终输出均为DL/T 698协议报文。集中器抄收到多芯电表数据后，可通过各种通信方式将数据传输到后台主站。

上述构架设计的缺点在于：

(1)一个多芯电表需要配一个上行模块才能实现多芯电表与集中器的数据交互，最终实现电表数据抄收及管理功能；

(2)虽然多芯电表通信模块与集中器通信模块间的通信网络可以通过IPv6实现，但是集中器主模块与通信模块间仍然采用DL/T 698协议，并非IPv6报文的路由转换，所以是一个不完整的IPv6解决方案，其无法直接通过IPv6协议，将表与后台系统直接通信。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对目前基于多芯电表的采集系统的架构设计未能实现IPv6的通讯以及一个多芯电表需配置一个上行模块才能实现通讯的技术问题，提供了一种基于多芯模组电表的外置通信模块及其IPv6通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于多芯模组电表的外置通信模块，包括主控单元、第一蓝牙及RF射频模块、第二蓝牙及RF射频模块、电源接口。

进一步地，所述第一蓝牙及RF射频模块集成在所述主控单元内部，能够对所述第二蓝牙及RF射频模块接收或发送的无线信号进行数字化处理；所述第一蓝牙及RF射频模块、第二蓝牙及RF射频模块双向电性连接；所述主控单元、第二蓝牙及RF射频模块均与所述电源接口电性连接。

优选地，所述外置通信模块是脱离于所述多芯模组电表的外部扩展模组；若网络存在电力载波和无线两种介质，则所述通信模块还包括载波收发单元；所述载波收发单元包括载波芯片、第一LDO、第一DC-DC及第一信号放大器；所述第一LDO、第一DC-DC、第一信号放大器均与所述载波芯片电性连接；所述载波收发单元、主控单元通过UART和SPI通信连接；所述外置通信模块固定在电表箱内；一个所述外置通信模块能够与多个所述多芯模组电表相连接；所述外置通信模块、多芯模组电表无线连接，所述外置通信模块对所述多芯模组电表构造IPv6地址，进行多个IPv6无线模块的模拟；所述外置通信模块与边界路由器连接；所述多芯模组电表通过所述边界路由器与外界通信。

优选地，所述第一LDO、第一DC-DC输出电压分别为1.1V、1.2V。

优选地，所述电源接口包括弱电接口与强电接口；所述弱电接口通过第一供电电路与所述主控单元、第二蓝牙及RF射频模块电性连接；所述强电接口通过第二供电电路与所述主控单元、载波收发单元电性连接。

进一步地，所述第一供电电路包括第二DC-DC、第二LDO；所述第二DC-DC包括蓄能电容；所述第二供电电路包括相线选择开关、三组电感器；所述电感器能够耦合所述载波收发单元接收或发送的电力载波信号。

在所述第一供电电路中，所述弱电接口、第二LDO、载波收发单元均与所述第二DC-DC电性连接；所述主控单元、第二蓝牙及RF射频模块均与所述第二LDO电性连接。

所述第二LDO输出电压为3.3V；所述第二DC-DC分别为12V、5V。

可选地，在所述第二供电电路中，所述强电接口与相线选择开关通过所述三组电感器连接；所述三组电感器每组一端分别连接三相电的A线、B线和C线；所述相线选择开关与载波收发单元双向电性连接，与所述主控单元单向电性连接；且，在所述载波收发单元接收或发送所述电力载波信号时，由所述主控单元通过所述相线选择开关选择传输线路。

优选地，所述主控单元还包括检测模块和电源控制模块；所述检测模块包括零点检测和停电检测；所述零点检测与所述强电接口电性连接，能够分别检测所述A线、B线、C线电流过零点的时刻，用于所述载波收发单元收发载波信号及时间同步；所述停电检测与所述第二DC-DC电性连接；所述电源控制模块与所述第二DC-DC、载波收发单元电性连接；所述第二蓝牙及RF射频模块包括收发器、第二信号放大器和天线；所述收发器、第二信号放大器和天线顺次电性连接。

优选地，还包括Flash存储单元和指示灯；所述Flash存储单元、主控单元通过所述SPI通信连接；所述指示灯、主控单元电性连接。

本发明还提供了一种IPv6通信方法，包括主站、边界路由器、多个多芯模组电表以及上述的任一项所述描述的外置通信模块。

进一步地，所述方法包括的步骤如下：

S100、分别配置所述多芯模组电表的MAC地址；

S200、所述外置通信模块通过扫描，分别与所述多芯模组电表建立连接；

S300、所述外置通信模块通过DL/T698协议分别读取所述多芯模组电表MAC地址及电表信息；

S400、所述外置通信模块根据的所述多芯模组电表的MAC地址，分别构建与所述多芯模组电表对应的IPv6地址；

S500、所述外置通信模块模拟多个IPv6无线模块，通过6LoWPAN与所述边界路由器建立连接；

S600、所述主站将抄表IPv6报文通过互联网发送至所述边界路由器；

S700、所述边界路由器将所述IPv6报文路由到所述外置通信模块中；

S800、所述外置通信模块将IPv6应用层数据提取后，根据所接收报文的IPv6地址，将所述应用层数据以报文形式通过蓝牙发送到对应的所述多芯模组电表上。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

(1)实现多芯电表的IPv6无线通信。通过外置通信模块与边界路由器连接，可将多芯电表IPv6化，电表能够直接连接到互联网上。

(2)节省材料成本。通过外置通信模块，配置多个MAC地址后，可与多个多芯电表进行连接，能够节省多芯电表的器件成本；同时，外置通信模块与多芯电表采用蓝牙无线连接，安装过程无需额外连线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是现阶段基于多芯电表的采集系统的架构设计示意图；

图2是本发明实施例的通信模块结构示意图_；

图3是本发明实施例的基于多芯电表的采集系统的架构设计示意图；

图4是本发明实施例的IPv6通信方法流程图。

1、主控单元；10、第一蓝牙及RF射频模块；11、检测模块；110、零点检测；111、停电检测；12、电源控制模块；2、第二蓝牙及RF射频模块；20、收发器；21、第二信号放大器；22、天线；3、电源接口；30、弱电接口；31、强电接口；4、载波收发单元；40、载波芯片；41、第一DC-DC；42、第一LDO；43、第一信号放大器；5、第一供电电路；50、第二DC-DC；500、蓄能电容；51、第二LDO；6、第二供电电路；60、相线选择开关；61、电感器；7、Flash存储单元；8、指示灯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

如图2所示，一种基于多芯模组电表的外置通信模块，包括主控单元1、第一蓝牙及RF射频模块10、第二蓝牙及RF射频模块2、电源接口3。具体地，第一蓝牙及RF射频模块10集成在主控单元1内部，能够对第二蓝牙及RF射频模块2接收或发送的无线信号进行数字化处理；第一蓝牙及RF射频模块10、第二蓝牙及RF射频模块2双向电性连接；主控单元1、第二蓝牙及RF射频模块2均与电源接口3电性连接。

优选地，主控单元1的集成芯片的处理器型号为TI的CC1350。将第一蓝牙及RF射频模块10集成在主控单元1中，能够有效节省成本；而，第二蓝牙及RF射频模块2功能仅仅为接收或发送无线信号。第一蓝牙及RF射频模块10、第二蓝牙及RF射频模块2便构建成蓝牙及RF双无线通信。

优选地，通信模块是脱离于多芯模组电表的外部扩展模组。

如图3所示，将通信模块设置在多芯模组电表的外部，多芯模组电表可以取消上行通信模块。同时，一个外置通信模块能够连接多个多芯电表，大大节省多芯模组电表的材料成本。进一步地，正常的电表都是多个电表安装在一个表箱里面，当采用外置通信模块后，一个表箱里面只需要安装一个外置通信模块即可。

进一步如图2所示，可选地，通信模块包括载波收发单元4；载波收发单元4包括载波芯片40、第一DC-DC41(DC-DC converter，DC-DC变换器)、第一LDO42(low dropoutregulator，低压差线性稳压器)及第一信号放大器43。具体地，第一DC-DC41、第一LDO42、第一信号放大器43均与载波芯片40电性连接；载波收发单元4、主控单元1通过UART(Universal Asynchronous ReceiverTransmitter，通用异步收发传输器)和SPI(SerialPeripheral interface串行外设接口)通信连接。如果需要增加载波模块，便可与RF一起构建HPLC&RF双模通信网络。

优选地，第一DC-DC41、第一LDO42输出电压分别为1.2V、1.1V。

优选地，载波芯片40型号为HT8612。

电源接口3包括弱电接口30与强电接口31；弱电接口30通过第一供电电路5与主控单元1、第二蓝牙及RF射频模块2电性连接；强电接口31通过第二供电电路6与主控单元1、载波收发单元4电性连接。具体地，第一供电电路5包括第二DC-DC50、第二LDO51；第二DC-DC50包括蓄能电容500；第二供电电路6包括相线选择开关60、三组电感器61；电感器610能够耦合载波收发单元4接收或发送的电力载波信号。

在第一供电电路5中，弱电接口30、第二LDO51、载波收发单元4均与第二DC-DC50电性连接；主控单元1、第二蓝牙及RF射频模块2均与第二LDO51电性连接。

优选地，第二LDO51输出电压为3.3V，第二DC-DC50分别为12V、5V。其中，第二DC-DC12V一方面直接输送至第一信号放大器43；另一方面，12V需降压至5V后，输送至第一DC-DC41、第一LDO42进行进一步降压和稳压。第二LDO51输出电压为3.3V直接供给给主控单元1和第二蓝牙及RF射频模块2。

进一步地，在第二供电电路6中，强电接口31与相线选择开关60通过三组电感器61连接；三组电感器61每组一端分别连接三相电的A线、B线和C线。相线选择开关60与载波收发单元4双向电性连接，与主控单元1单向电性连接；而且，在载波收发单元4接收或发送电力载波信号时，由主控单元1通过相线选择开关60选择传输线路。即选择A线、B线或C线。

主控单元1还包括检测模块11和电源控制模块12。具体地，检测模块11包括零点检测110和停电检测111。零点检测110与强电接口31电性连接，能够分别检测A线、B线、C线电流过零点的时刻，用于载波收发单元4收发信号及时间同步；停电检测111与第二DC-DC50电性连接，当主控单元检测到主电源发生停电时，立即启动蓄能电容500进行供电；电源控制模块12与第二DC-DC50、载波收发单元4电性连接。电源控制模块12功能在于管理主控单元1、第二蓝牙及RF射频模块2、载波收发单元4的电源，并保证整个通信模块的电源有效供给。同时，便于管理主控单元1还与弱电接口30通过UART连接。

第二蓝牙及RF射频模块2包括收发器20、第二信号放大器21和天线22。收发器20、第二信号放大器21和天线22顺次电性连接。

进一步地，通信模块还包括Flash存储单元7和指示灯8。具体地，Flash存储单元7、主控单元1通过SPI通信连接；指示灯8、主控单元1电性连接。Flash存储单元7能够用于存储通信模块数据信息，指示灯8用于指示通信模块的工作状态，便于人工管理。

实施例二：

如图3-4所示。实施例还包括一种IPv6通信方法。包括主站、边界路由器、多个多芯模组电表以及通信模块；其步骤如下：

S100、分别配置多芯电表的MAC地址；

S200、通信模块通过扫描，分别与多芯电表建立连接；

S300、通信模块通过DL/T698协议分别读取多芯电表MAC地址及电表信息；

S400、通信模块根据的多芯电表的MAC地址，分别构建与多芯电表对应的IPv6地址；

S500、通信模块模拟多个IPv6无线模块，通过6LoWPAN与边界路由器建立连接；

S600、主站将抄表IPv6报文通过互联网发送至边界路由器；

S700、边界路由器将IPv6报文路由到通信模块中；

S800、通信模块将IPv6应用层数据提取后，根据所接收报文的IPv6地址，将应用层数据以报文形式通过蓝牙发送到对应的多芯电表上。

上述步骤利用多芯电表内置的蓝牙模块，设计外置通信模块，该通信模块通过配置多个MAC地址后，可与多个多芯电表进行连接；同时，通信模块可根据连接的多芯电表，构造对应的IPv6地址，模拟多个IPv6无线模块，通过边界路由器与外界通信。

综上所述，本发明通过增加一个外置于多芯电表的通信模块，作为多芯电表的一个扩展模组。该外置通信模块下行通过蓝牙与管理芯进行连接，上行可通过HPLC、RF或者双模(HPLC&RF)与外部连接。外置通信模块如果只采用无线信道，可基于6LoWPAN技术，实现IPv6无线通信，通过边界路由器，最终可实现多芯电表数据通信的IPv6化；另一方面，该外置通信模块可与多个多芯电表进行连接，同时，外置通信模块与多芯电表采用蓝牙无线连接，安装过程无需额外连线。因而能够节省多芯电表的器件成本。

在阅读完本文描述的内容之后，本领域的技术人员应当明白，本文描述的各种特征可通过方法、数据处理系统或计算机程序产品来实现。因此，这些特征可不采用硬件的方式、全部采用软件的方式或者采用硬件和软件结合的方式来表现。此外，上述特征也可采用存储在一种或多种计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式来表现，该计算机可读存储介质中包含计算机可读程序代码段或者指令，其存储在存储介质中。可读存储介质被配置为存储各种类型的数据以支持在装置的操作。可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现。如静硬态盘、随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、光存储设备、磁存储设备、快闪存储器、磁盘或光盘和/或上述设备的组合。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多芯模组电表的外置通信模块，其特征在于，包括主控单元(1)、第一蓝牙及RF射频模块(10)、第二蓝牙及RF射频模块(2)、电源接口(3)；其中，

所述第一蓝牙及RF射频模块(10)集成在所述主控单元(1)内部，能够对所述第二蓝牙及RF射频模块(2)接收或发送的无线信号进行数字化处理；

所述第一蓝牙及RF射频模块(10)、第二蓝牙及RF射频模块(2)双向电性连接；所述主控单元(1)、第二蓝牙及RF射频模块(2)均与所述电源接口(3)电性连接；

所述外置通信模块是脱离于所述多芯模组电表的外部扩展模组；

还包括载波收发单元(4)；所述载波收发单元(4)包括载波芯片(40)、第一DC-DC(41)、第一LDO(42)及第一信号放大器(43)；

所述第一DC-DC(41)、第一LDO(42)、第一信号放大器(43)均与所述载波芯片(40)电性连接；

所述载波收发单元(4)、主控单元(1)通过UART和SPI通信连接；所述外置通信模块固定在电表箱内；一个所述外置通信模块能够与多个所述多芯模组电表相连接；所述外置通信模块、多芯模组电表无线连接，所述外置通信模块对所述多芯模组电表构造IPv6地址，进行多个IPv6无线模块的模拟；所述外置通信模块与边界路由器连接；所述多芯模组电表通过所述边界路由器与外界通信。

2.根据权利要求1所述的外置通信模块，其特征在于，所述第一DC-DC(41)、第一LDO(42)输出电压分别为1.2V、1.1V。

3.根据权利要求1所述的外置通信模块，其特征在于，所述电源接口(3)包括弱电接口(30)与强电接口(31)；所述弱电接口(30)通过第一供电电路(5)与所述主控单元(1)、第二蓝牙及RF射频模块(2)电性连接；所述强电接口(31)通过第二供电电路(6)与所述主控单元(1)、载波收发单元(4)电性连接；其中，

所述第一供电电路(5)包括第二DC-DC(50)、第二LDO(51)；所述第二DC-DC(50)包括蓄能电容(500)；

所述第二供电电路(6)包括相线选择开关(60)、三组电感器(61)；

所述电感器(61)能够耦合所述载波收发单元(4)接收或发送的电力载波信号。

4.根据权利要求3所述的外置通信模块，其特征在于，在所述第一供电电路(5)中，所述弱电接口(30)、第二LDO(51)、载波收发单元(4)均与所述第二DC-DC(50)电性连接；所述主控单元(1)、第二蓝牙及RF射频模块(2)均与所述第二LDO(51)电性连接。

5.根据权利要求4所述的外置通信模块，其特征在于，所述第二LDO(51)输出电压为3.3V；

所述第二DC-DC(50)分别为12V、5V。

6.根据权利要求3所述的外置通信模块，其特征在于，在所述第二供电电路(6)中，所述强电接口(31)与相线选择开关(60)通过所述三组电感器(61)连接；所述三组电感器(61)每组一端分别连接三相电的A线、B线和C线；

所述相线选择开关(60)与载波收发单元(4)双向电性连接，与所述主控单元(1)单向电性连接；且，所述载波收发单元(4)接收或发送所述电力载波信号时，由所述主控单元(1)通过所述相线选择开关(60)选择传输线路。

7.根据权利要求6所述的外置通信模块，其特征在于，所述主控单元(1)还包括检测模块(11)和电源控制模块(12)；其中，

所述检测模块(11)包括零点检测(110)和停电检测(111)；所述零点检测(110)与所述强电接口(31)电性连接，能够分别检测所述A线、B线、C线电流过零点的时刻，用于所述载波收发单元(4)收发信号及时间同步；所述停电检测(111)与所述第二DC-DC(50)电性连接；

所述电源控制模块(12)与所述第二DC-DC(50)、载波收发单元(4)电性连接；

所述第二蓝牙及RF射频模块(2)包括收发器(20)、第二信号放大器(21)和天线(22)；

所述收发器(20)、第二信号放大器(21)和天线(22)顺次电性连接。

8.根据权利要求1所述的外置通信模块，其特征在于，还包括Flash存储单元(7)和指示灯(8)；其中，

所述Flash存储单元(7)、主控单元(1)通过所述SPI通信连接；所述指示灯(8)、主控单元(1)电性连接。

9.一种IPv6通信方法，其特征在于，包括主站、边界路由器、多个多芯模组电表以及权利要求1-8任一项所述的外置通信模块；其步骤如下：

S100、分别配置所述多芯模组电表的MAC地址；

S200、所述外置通信模块通过扫描，分别与所述多芯模组电表建立连接；

S300、所述外置通信模块通过DL/T698协议分别读取所述多芯模组电表MAC地址及电表信息；

S400、所述外置通信模块根据所述多芯模组电表的MAC地址，分别构建与所述多芯模组电表对应的IPv6地址；

S500、所述外置通信模块模拟多个IPv6无线模块，通过6LoWPAN与所述边界路由器建立连接；

S600、所述主站将抄表IPv6报文通过互联网发送至所述边界路由器；

S700、所述边界路由器将所述IPv6报文路由到所述外置通信模块中；

S800、所述外置通信模块将IPv6应用层数据提取后，根据所接收报文的IPv6地址，将所述应用层数据以报文形式通过蓝牙发送到对应的所述多芯模组电表上。

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