CN207851146U - 一种电能表通信装置和电能表系统 - Google Patents

一种电能表通信装置和电能表系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型实施例公开了一种电能表通信装置,所述装置包括:微处理器、基于蜂窝的窄带物联网NB‑IoT模块、两个NB‑IoT天线、用于获取电能表运行数据和计量数据的电表连接单元、用于向NB‑IoT模块和微处理器提供电能的电源模块;其中,所述微处理器分别连接电表连接单元和NB‑IoT模块,所述NB‑IoT模块分别连接所述两个NB‑IoT天线,所述电源模块包括用于向所述微处理器提供电能的第一DC‑DC转换电路和用于向所述NB‑IoT模块提供电能的第二DC‑DC转换电路,本实用新型实施例能够提高电能表通信装置的应用范围。本实用新型还提供了一种电能表系统。

Description

一种电能表通信装置和电能表系统
技术领域
本实用新型涉及智能电表通信技术,尤其涉及一种电能表通信装置和电能表系统。
背景技术
目前,智能电能表通信模块主要有分为四种;其中,第一种是采用433MHz小无线通信的微功率模块,第二种是采用电力线载波通信的电力载波模块,第三种是采用全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication,GSM)/通用分组无线服务(GeneralPacket Radio Service,GPRS)通信的无线通信模块,第四种是采用4G通信的无线通信模块;上述记载的四种通信模块都是采用外置模块化设计,可以通过插针与智能电能表连接。
这里,微功率模块可以利用433MHz的免申请频段进行无线通信,电力载波模块可以利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输;上述记载的第三种智能表通信模块采用2G网络与外部设备进行通信,上述记载的第四种智能表通信模块采用4G网络与外部设备进行通信。
然而,上述四种智能表通信模块均存在应用范围较小的缺陷,下面进行分别说明。
1)采用433MHz小无线通信的微功率模块
433MHz在一些区域是发射接收频率的免申请频段,可直接使用,但是,该频段的信号干扰比较大,通信质量较差,在城区只能在特定的地区满足短距离的用电信息采集系统远程通信功能。并且,433MHz小无线通信的数据传输速率低,采用数据透明传输协议,网络通信安全得不到保证。此外,采用433MHz小无线通信的智能电表必须搭配集中器使用,且集中器的安装位置必须综合考虑距离、信号覆盖和施工成本等因素。
2)采用电力线载波通信的电力载波模块
最大特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递;但是电力线载波通讯所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送,不能跨越变压器;并且,电力载波信号只能在单相电力线上传输,对于三相而言,各相电力线间有很大信号损失,通讯距离很近时,不同相间可能会收到信号。电力线存在本身固定的100HZ或120HZ脉冲干扰,会影响信号的判断;当电力线上负荷很重时,线路阻抗可达1欧姆以下,造成对载波信号的高削减。
3)采用GSM/GPRS通信的无线通信模块
目前采用GSM/GPRS通信的无线通信模块只支持三相电表,并且只支持部分运营商的GSM/GPRS的通信网络,通用性不高。
4)采用4G通信的无线通信模块
4G网络具有覆盖好、传输速率快的优点,但是对应的智能表通信模块成本较高,单个通信模块的硬件成本甚至与电能表成本相当,而且电能表通信是一种间歇性、小数据量的通信,采用4G通信显得浪费资源,而且目前已经有的智能电表4G通信模块只支持三相电表。
实用新型内容
为解决上述技术问题,本实用新型实施例期望提供电能表通信装置和电能表系统,能够提高电能表通信装置的应用范围。
本实用新型的技术方案是这样实现的:
本实用新型实施例提供了一种电能表通信装置,所述装置包括:微处理器、基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)模块、至少一个天线、用于获取电能表运行数据和计量数据的电表连接单元、用于向NB-IoT模块和微处理器提供电能的电源模块;其中,所述微处理器分别连接电表连接单元和NB-IoT模块,所述NB-IoT模块分别连接所述两个NB-IoT天线,所述电源模块包括用于向所述微处理器提供电能的第一DC-DC转换电路和用于向所述NB-IoT模块提供电能的第二DC-DC转换电路。
上述方案中,所述NB-IoT模块位于印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)上;
所述两个NB-IoT天线包括位于所述PCB的PCB天线和所述NB-IoT模块的外置天线。
上述方案中,所述第一DC-DC转换电路的输入端用于接入直流电源,所述第一DC-DC转换电路的输出端连接所述微处理器;所述第二DC-DC转换电路的输入端用于接入直流电源,所述第二DC-DC转换电路的输出端连接所述NB-IoT模块。
上述方案中,所述装置还包括第一电平转换电路,所述微处理器通过所述第一电平转换电路连接所述电表连接单元。
上述方案中,所述装置还包括第二电平转换电路;所述微处理器通过所述第二电平转换电路连接所述NB-IoT模块。
上述方案中,所述装置还包括用于指示NB-IoT模块工作状态的第一指示灯和用于指示微处理器工作状态的第二指示灯。
上述方案中,所述装置还包括用于存储电能表运行数据、电能表计量数据和空中软件下载(Firmware Over-The-Air,FOTA)升级包的快闪(FLASH)存储器,所述FLASH存储器连接所述微处理器。
上述方案中,所述微处理器设置有用于实现数据下载的联合测试工作组(JointTest Action Group,JTAG)接口或串行线调试(Serial Wire Debug,SW)接口。
上述方案中,所述微处理器设置有用于进行程序调试的人机接口。
本实用新型实施例还提供了一种电能表系统,所述系统包括电能表和上述任意一种电能表通信装置。
本实用新型实施例提供的一种电能表通信装置和电能表系统,包括:微处理器、NB-IoT模块、两个NB-IoT天线、用于获取电能表运行数据和计量数据的电表连接单元、用于向NB-IoT模块和微处理器提供电能的电源模块;其中,所述微处理器分别连接电表连接单元和NB-IoT模块,所述NB-IoT模块分别连接两个NB-IoT天线,所述电源模块包括用于向所述微处理器提供电能的第一DC-DC转换电路和用于向所述NB-IoT模块提供电能的第二DC-DC转换电路。本实用新型实施例中,由于采用NB-IoT模块与外界进行通信,可以扩展电能表通信装置的应用范围。
附图说明
图1为本实用新型实施例的电能表通信装置的结构示意图一;
图2为本实用新型实施例的电能表通信装置的结构示意图二;
图3为本实用新型实施例的电能表系统的结构示意图。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
第一实施例
本实用新型第一实施例提供了一种电能表通信装置;这里的电能表可以是单相电能表或三相电能表。
图1为本实用新型实施例的电能表通信装置的结构示意图一,如图1所示,该电能表通信装置包括:
微处理器(Microcontroller Unit,MCU)1、NB-IoT模块2、两个NB-IoT天线3、用于获取电能表运行数据和计量数据的电表连接单元4、用于向NB-IoT模块和微处理器提供电能的电源模块5;其中,所述微处理器1分别连接电表连接单元4和NB-IoT模块2,所述NB-IoT模块2分别连接所述两个NB-IoT天线3;所述电源模块5包括用于向所述微处理器提供电能的第一DC-DC转换电路51和用于向所述NB-IoT模块提供电能的第二DC-DC转换电路52。
示例性地,微处理器可以通过串口与电能表和NB-IoT模块进行通信,微处理器1可以采用32位MCU(例如可以是意法半导体(ST)的32位MCU),微处理器内部可以集成768KB的FLASH存储器和96KB的随机存取存储器(Random-Access Memory,RAM),确保可以存储并高效运行和处理整个通信模块的程序和数据,这个内存配置还能确保模块能完全对接OneNet平台和国家电网集抄平台。
在实际应用中,微处理器可以根据输入的程序,对电表连接单元的数据进行采集和上报;可选地,微处理器还可以通过NB-IoT模块接收空中软件下载(Firmware Over-The-Air,FOTA)升级的程序包,并根据FOTA升级的程序包,对存储的程序进行升级;也就是说,本实用新型实施例的电能表通信装置还可以支持微处理器的嵌入式软件的空中升级。
这里,NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)网络或长期演进(Long Term Evolution,LTE)网络,以降低部署成本、实现平滑升级;NB-IoT模块2的输出功率和接收灵敏度可以根据需要进行设置,例如,NB-IoT模块2的输出功率可以达到23dBm,NB-IoT模块的接收灵敏度可以达到-135dBm;因而,即使NB-IoT模块处于地下车库、地下室、地下管道等区域,也可以实现信号覆盖;
在实际实施时,电表连接单元4可以与智能电能表进行连接,用于获取智能电能表的运行数据和计量数据。对于电表连接单元与智能电能表的连接,需要进行电平转换、静电释放(Electro-Static Discharge,ESD)防护,并且需要阻抗匹配。
这里,所述两个NB-IoT天线3,用于接收和/或发射信号,确保NB-IoT模块可以通过主动或被动的方式实现与外界的通信,在实施时,每个NB-IoT天线可以按照50欧姆进行阻抗匹配;
可选地,NB-IoT模块2位于印制电路板PCB上;所述两个NB-IoT天线包括位于所述PCB的PCB天线和所述NB-IoT模块的外置天线;也就是说,NB-IoT模块可以采用双天线,既支持外置天线,又支持PCB天线,以满足扩展要求;一个可选的示例中,经过严格设计和测试的天线的天线效率可以接近40%;结合NB-IoT模块的输出功率可以达到23dBm,接收灵敏度可以达到-135dBm的特点,即使将智能电能表安装在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的区域,也可以实现信号覆盖。
在实际应用中,第一DC-DC转换电路51的输入端用于接入直流电源,所述第一DC-DC转换电路51的输出端连接所述微处理器;所述第二DC-DC转换电路的输入端52用于接入直流电源,所述第二DC-DC转换电路52的输出端连接所述NB-IoT模块。
这里,电源模块5可以从智能电能表获取电能,并通过两个DC-DC转换电路转换为不同的电压,以分别为微处理器和NB-IoT模块提供电能;例如,智能电能表的电能输出端可以输出12V直流电,第一DC-DC转换电路51的输入端连接智能电能表的电能输出端,第一DC-DC转换电路51用于将12V电压转换为3.3V电压;第二DC-DC转换电路52的输入端连接智能电能表的电能输出端,第二DC-DC转换电路52用于将12V电压转换为3.85V电压。
本实用新型实施例提供的电能表通信装置,采用NB-IoT模块与外界进行通信;该NB-IoT模块既适用于单相智能电表,又适用于三相智能电表,并且可以与国家电网公司的集抄平台进行对接,完成数据的采集和上报。在同一基站的情况下,NB-IoT模块可以比采用GSM/GPRS的无线通信模块及采用4G通信的无线通信模块提高50~100倍的接入数。而NB-IoT直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级,NB-IoT使用单独的180KHz频段,不占用现有网络的语音和数据带宽,保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。
示例性地,现有的采用有线电力载波(Power Line Communication,PLC)方式进行数据回收的成功率大约为60%,而本实用新型实施例的电能表通信装置可以保证数据成功回收率达99%,显然增加了电能表数据回收的可靠性。
第二实施例
为了能够更加体现本实用新型的目的,在本实用新型第一实施例的基础上,进行进一步的举例说明。
图2为本实用新型实施例的电能表通信装置的结构示意图二,如图2所示,该电能表通信装置包括:微处理器1、NB-IoT模块2、两个NB-IoT天线3、电表连接单元4和电源模块5。
这里,微处理器1、NB-IoT模块2、两个NB-IoT天线3、电表连接单元4和电源模块5已经在第一实施例中作出说明,这里不再赘述。
可选地,电能表通信装置还可以包括:第一电平转换电路6,所述微处理器1通过所述第一电平转换电路6连接所述电表连接单元4;也就是说,第一电平转换电路6的一端连接电表连接单元4,另一端连接微处理器1;第一电平转换电路的作用为实现微处理器与电表连接单元的电平转换,微处理器可以通过以下至少一个管脚与第一电平转换电路连接:UART1管脚、RST管脚、SET管脚、EVENT管脚和STA管脚。
可选地,电能表通信装置还可以包括:第二电平转换电路7,所述微处理器1通过所述第二电平转换电路7连接NB-IoT模块2;也就是说,第二电平转换电路7的一端连接微处理器1,另一端连接NB-IoT模块2;第二电平转换电路的作用为实现微处理器与NB-IoT模块的电平转换,微处理器可以通过以下至少一个管脚与第二电平转换电路连接:TX管脚、RX管脚、PW R管脚、RST管脚和PSE管脚。
可选地,电能表通信装置还可以包括:用于存储电能表运行数据、电能表计量数据和FOTA升级包的FLASH存储器8,所述FLASH存储器连接所述微处理器。
这里,FLASH存储器8可以用于存储NB-IoT模块掉线时的电能数据,也可以用于存储FOTA升级的程序包;示例性地,FLASH存储器为片外的64MB的SPI FLASH存储器。
实际应用中,第一DC-DC转换电路51还可以为FLASH存储器、第一电平转换电路和第二电平转换电路提供电能。
可选地,电能表通信装置还可以包括:用于指示NB-IoT模块工作状态的第一指示灯9和用于指示微处理器工作状态的第二指示灯10;这里,第一指示灯9连接所述NB-IoT模块2,第二指示灯10连接微处理器1。
可选地,所述微处理器设置有用于实现数据下载的JTAG接口或SW接口;也就是说,JTAG接口或SW接口可以用于嵌入式程序的下载和软件升级。
可选地,微处理器设置有用于进行程序调试的人机接口,这里,人机接口可以是微处理器1的UART管脚;通过人机接口,可以实现对微处理器内置程序的调试,并可以用于输入指令以及实现信息的打印和显示。
可选地,电能表通信装置还可以包括:用于向微处理器1提供时钟的时钟源11。
在实际应用中,NB-IoT模块2可以采用用户身份识别(SubscriberIdentification Module,SIM)卡12实现与外界的通信,NB-IoT模块2可以采用匹配网络13实现与至少一个天线的连接;其中,NB-IoT模块2的射频发射端连接所述匹配网络;这里,匹配网络的作用在于实现NB-IoT模块与至少一个天线的阻抗匹配。
可选地,还可以设置云平台和管理平台(图2未示出),电能表通信装置可以通过NB-IoT模块上报数据到云平台和管理平台,云平台和管理平台可以根据接收的数据,对电能表采集的数据进行监测;另外,还可以通过NB-IoT模块向微处理器发送指令。
也就是说,采用该电能表通信装置,可以通过MCU灵活设置采集电表数据并上报的时间周期,并将运行状态信息、电量信息、电表位置等信息上报到管理平台,同时也可以通过管理平台远程控制和管理智能电表。
第三实施例
本实用新型第三实施例提出了一种电能表系统。
图3为本实用新型实施例的电能表系统的结构示意图,如图3所示,该电能表系统包括电能表31和与电能表连接的电能表通信装置32,这里,电能表通信装置32可以是前述实施例记载的任意一种电能表通信装置。
以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电能表通信装置,其特征在于,所述装置包括:微处理器、基于蜂窝的窄带物联网NB-IoT模块、两个NB-IoT天线、用于获取电能表运行数据和计量数据的电表连接单元、用于向NB-IoT模块和微处理器提供电能的电源模块;其中,所述微处理器分别连接电表连接单元和NB-IoT模块,所述NB-IoT模块分别连接所述两个NB-IoT天线,所述电源模块包括用于向所述微处理器提供电能的第一DC-DC转换电路和用于向所述NB-IoT模块提供电能的第二DC-DC转换电路。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述NB-IoT模块位于印制电路板PCB上;
所述两个NB-IoT天线包括所述NB-IoT模块的外置天线和位于所述PCB的PCB天线。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一DC-DC转换电路的输入端用于接入直流电源,所述第一DC-DC转换电路的输出端连接所述微处理器;所述第二DC-DC转换电路的输入端用于接入直流电源,所述第二DC-DC转换电路的输出端连接所述NB-IoT模块。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括第一电平转换电路,所述微处理器通过所述第一电平转换电路连接所述电表连接单元。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括第二电平转换电路;所述微处理器通过所述第二电平转换电路连接所述NB-IoT模块。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括用于指示NB-IoT模块工作状态的第一指示灯和用于指示微处理器工作状态的第二指示灯。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括用于存储电能表运行数据、电能表计量数据和空中软件下载FOTA升级包的快闪FLASH存储器,所述FLASH存储器连接所述微处理器。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述微处理器设置有用于实现数据下载的联合测试工作组JTAG接口或串行线调试SW接口。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述微处理器设置有用于进行程序调试的人机接口。
10.一种电能表系统,其特征在于,所述系统包括电能表和权利要求1至9任一项所述的电能表通信装置。
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CN109982294A (zh) * 2019-03-08 2019-07-05 四川爱联科技有限公司 利用蓝牙设备对NBIot模块进行升级的方法

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