電能表用藍(lán)牙微型斷路器自動(dòng)配對(duì)技術(shù)研究

熊德智，肖 宇，張保亮，熊素琴

（1.智能電氣量測(cè)與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心（計(jì)量中心）），長(zhǎng)沙 410004；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 430070；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100085）

新一代電能表（IR46 模組化電能表）對(duì)數(shù)據(jù)通信要求越來(lái)越高，在我國(guó)現(xiàn)有的電能表技術(shù)體系里，電能表通信主要由通信模塊（電力線(xiàn)載波、微功率無(wú)線(xiàn)等）、RS485、紅外來(lái)實(shí)現(xiàn)，從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，RS485 和紅外這兩種本地通信方式存在明顯的缺陷，如RS485 布線(xiàn)施工難、通信速度慢，紅外通信可靠性差、速率低等，這兩種技術(shù)明顯不適應(yīng)新一代電能表技術(shù)的發(fā)展需求，急需一種高速、可靠的本地通信技術(shù)來(lái)替代RS485 和紅外，藍(lán)牙通信是一種較為理想的本地通信方式。

文獻(xiàn)[1]提出了一種在公共區(qū)域、家庭和辦公室環(huán)境中進(jìn)行音頻廣播的方案，該方案使用適當(dāng)?shù)幕陔S機(jī)方法的分析模型來(lái)找到最佳重傳次數(shù)，減少了不必要的重發(fā)和通道擁堵；文獻(xiàn)[2]提出了一種多跳實(shí)時(shí)BLE（MRT-BLE）協(xié)議，它是在BLE 之上開(kāi)發(fā)的一種實(shí)時(shí)協(xié)議，它允許網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上的有限制的分組延遲，克服了藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范不支持通過(guò)多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的難題；文獻(xiàn)[3]開(kāi)發(fā)了機(jī)會(huì)藍(lán)牙傳輸（OBT）方案，該方案使具有集成模塊的雙堆棧設(shè)備能夠利用WLAN 協(xié)議以前未使用的延遲時(shí)間，顯著提高了雙堆棧設(shè)備的吞吐量；文獻(xiàn)[4]建立了一個(gè)評(píng)估藍(lán)牙綜合性能的分析模型，例如信號(hào)碰撞概率，發(fā)現(xiàn)延遲，能耗等；文獻(xiàn)[5]開(kāi)發(fā)了一種基于藍(lán)牙系統(tǒng)的低成本生命體征傳感器，成功監(jiān)測(cè)被測(cè)人的心跳和呼吸；文獻(xiàn)[6]研究了使用12 種不同的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法對(duì)藍(lán)牙信號(hào)行為的表征，這是邁向基于指紋的定位機(jī)制發(fā)展的第一步，為了解各種算法在室內(nèi)定位機(jī)制發(fā)展中的用途和功能提供了寶貴的見(jiàn)識(shí)；文獻(xiàn)[7]建立了基于藍(lán)牙智能技術(shù)的機(jī)器人互連通信框架，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人定位，優(yōu)化了機(jī)器人任務(wù)，提高了工作效率；文獻(xiàn)[8]通過(guò)設(shè)計(jì)采用BLE 附帶的相同信道化的多頻譜接入方案，找到一種可以有效防止復(fù)雜頻譜干擾的解決方案；文獻(xiàn)[9]提出了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的防盜系統(tǒng)解決方案，以幫助學(xué)生安全保存其有價(jià)值的物品。

1 總體設(shè)計(jì)

藍(lán)牙智能微型斷路器主要由MCU 模塊、藍(lán)牙通信模塊、ESAM 加密模塊、超低待機(jī)功耗電源、低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪位置監(jiān)測(cè)模塊、分合閘反饋模塊、手/自動(dòng)模式切換模塊、斷路器本體等部分組成，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)電路Fig.1 Overall design circuit

MCU 模塊負(fù)責(zé)接收藍(lán)牙模塊的控制命令并下發(fā)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；藍(lán)牙通信模塊負(fù)責(zé)接收、發(fā)送藍(lán)牙智能電表、MCU 等的控制命令和反饋信息；ESAM加解密系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)藍(lán)牙模塊接收的控制命令進(jìn)行解密處理，負(fù)責(zé)對(duì)向上發(fā)送的信息進(jìn)行加密處理；超低待機(jī)功耗電源負(fù)責(zé)將220 V 交流電變換成12 V直流電，并提供給低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器將12 V 直流電變換成3.3 V 直流電，供MCU、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等使用；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行MCU 的分合閘控制命令，通過(guò)直流電機(jī)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)斷路器本體進(jìn)行分合閘；齒輪位置監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)齒輪的位置信息，并上傳給MCU；分合閘反饋模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)斷路器出線(xiàn)電壓，并將信息反饋給MCU；通過(guò)手/自動(dòng)模式切換，可實(shí)現(xiàn)斷路器在自動(dòng)控制和手動(dòng)控制方式之間的轉(zhuǎn)換。

2 自動(dòng)配對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電流指紋技術(shù)研究

自動(dòng)配對(duì)單元的通信接入采用工頻交流電源，電壓允許偏差為額定值的-20%～+20%；自動(dòng)配對(duì)單元的電源由斷路器的主板提供，電壓為不大于5 V，電源電壓允許偏差為額定值的-10%～+10%。具體電流指紋特性如表1所示。

表1 電流指紋特性Tab.1 Current fingerprint characteristics

模塊的靜態(tài)功耗小于22 mW，正常工作的情況下有功功耗小于1 W，工作時(shí)無(wú)功功耗小于30 Var。

2.2 電流指紋模塊電路設(shè)計(jì)

電流指紋模塊通過(guò)電力線(xiàn)微電流和2.4 G 無(wú)線(xiàn)廣播的方式發(fā)送藍(lán)牙配對(duì)碼，當(dāng)上端電能表通過(guò)電力線(xiàn)接收、解調(diào)得到的自動(dòng)配對(duì)特征碼與其藍(lán)牙模塊接收、解調(diào)得到的自動(dòng)配對(duì)特征碼一致時(shí)，可以初步確認(rèn)該斷路器為電能表后安裝的從屬斷路器。電流指紋電路設(shè)計(jì)如圖2所示，電流指紋編碼規(guī)則如圖3所示。

圖2 電流指紋電路Fig.2 Current fingerprint circuit

圖3 電流指紋編碼規(guī)則Fig.3 Current fingerprint coding rules

（1）采用OOK 調(diào)制方式，0 表示有電流，1 表示無(wú)電流。

（2）采用超高耐壓可控硅，外接一組高壓容性負(fù)載，按信息特征生成無(wú)功電流信號(hào)。

教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前幾課學(xué)習(xí)的關(guān)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的知識(shí)。包括：①不同結(jié)構(gòu)所受到的力不同，穩(wěn)定性也不同；②影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素；③結(jié)構(gòu)的受力分析方法。教師播放微視頻，給學(xué)生介紹橋的類(lèi)型、歷史以及構(gòu)造。學(xué)生要考慮用什么知識(shí)(S)以及設(shè)備(T)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。準(zhǔn)備階段的實(shí)質(zhì)是根據(jù)STEAM教育活動(dòng)主題，完成相關(guān)知識(shí)、素材與工具準(zhǔn)備。該階段最好由學(xué)生獨(dú)立完成，教師適當(dāng)引導(dǎo)，幫助學(xué)生在學(xué)會(huì)應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展獨(dú)立思考、選擇資源工具與解決問(wèn)題的能力。

（3）當(dāng)需要和電表發(fā)送信息時(shí)，通過(guò)可控硅的開(kāi)通、關(guān)斷操作，間歇產(chǎn)生30 mA～100 mA 的無(wú)功電流，形成相應(yīng)信息的電流指紋編碼。

（4）通過(guò)設(shè)計(jì)R21和C7等，形成對(duì)調(diào)制電路的保護(hù)，降低沖擊電壓對(duì)器件的影響和損壞。

2.3 配對(duì)模塊信息交互設(shè)計(jì)

2.3.1 與藍(lán)牙模塊交互設(shè)計(jì)

自動(dòng)配對(duì)功能模塊與藍(lán)牙模塊交互設(shè)計(jì)如圖4所示。自動(dòng)配對(duì)功能模塊與藍(lán)牙模塊的交互需要經(jīng)過(guò)消息路由。當(dāng)自動(dòng)配對(duì)功能模塊需要發(fā)送命令給藍(lán)牙模塊時(shí)，通過(guò)基礎(chǔ)應(yīng)用APP 和消息路由通信接口，將命令發(fā)送給消息路由APP，消息路由APP 通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)將命令發(fā)給藍(lán)牙模塊。當(dāng)藍(lán)牙模塊需要將接收到的報(bào)文發(fā)送給配對(duì)模塊時(shí)，消息路由先收到藍(lán)牙模塊發(fā)送的報(bào)文，消息路由將報(bào)文發(fā)送到基礎(chǔ)應(yīng)用APP，基礎(chǔ)應(yīng)用APP 收到消息路由消息后，將報(bào)文解析分發(fā)給自動(dòng)配對(duì)功能模塊。

圖4 自動(dòng)配對(duì)功能模塊與藍(lán)牙模塊交互Fig.4 Automatic pairing function module interacts with bluetooth module

2.3.2 與計(jì)量芯交互設(shè)計(jì)

自動(dòng)配對(duì)功能模塊與計(jì)量芯交互設(shè)計(jì)如圖5所示。自動(dòng)配對(duì)功能模塊與計(jì)量芯的交互需要經(jīng)過(guò)消息路由。當(dāng)自動(dòng)配對(duì)功能模塊需要通知計(jì)量芯時(shí)，通過(guò)基礎(chǔ)應(yīng)用APP 和消息路由通信接口將命令發(fā)送給消息路由APP，消息路由APP 通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)將命令發(fā)給計(jì)量芯。當(dāng)去讀取計(jì)量芯數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)量芯先把數(shù)據(jù)發(fā)給消息路由，由消息路由再發(fā)給基礎(chǔ)APP，基礎(chǔ)APP 收到后解析分發(fā)給自動(dòng)配對(duì)功能模塊。

圖5 自動(dòng)配對(duì)功能模塊與計(jì)量芯交互Fig.5 Automatic pairing function module interacts with metering core

2.4 霍爾監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

霍爾監(jiān)測(cè)電路如圖6所示。電路主要通過(guò)霍爾元器件對(duì)觸頭實(shí)際位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)MOS 管對(duì)霍爾傳感器電源進(jìn)行控制，降低斷路器在待機(jī)模式下的功耗。

圖6 霍爾監(jiān)測(cè)電路Fig.6 Hall monitoring circuit

當(dāng)斷路器要進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，CPU 輸出低電平，控制V2 進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，霍爾傳感器電源斷開(kāi)，進(jìn)行休眠狀態(tài)。當(dāng)斷路器要進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，CPU輸出高電平，V2 導(dǎo)通，霍爾傳感器電源接通，進(jìn)入工作狀態(tài)。

D2 和D3 為霍爾傳感器，通過(guò)檢測(cè)齒輪內(nèi)嵌磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)觸頭和操作手柄位置的判斷。當(dāng)霍爾傳感器檢測(cè)到磁鐵的磁場(chǎng)，霍爾傳感器的2腳會(huì)輸出高電平狀態(tài)，CPU 通過(guò)檢測(cè)到霍爾傳感器的反饋信號(hào)，從而控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。

3 自動(dòng)配對(duì)流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)配對(duì)流程如圖7所示，具體配對(duì)步驟如下：

步驟1藍(lán)牙微型斷路器產(chǎn)生一個(gè)16 位隨機(jī)數(shù)作為自動(dòng)配對(duì)特征碼（稱(chēng)為“配對(duì)特征碼1”）；

步驟2藍(lán)牙微型斷路器以無(wú)功電流方式，將自動(dòng)配對(duì)特征碼調(diào)制信號(hào)發(fā)送到電纜線(xiàn)上；

步驟3同時(shí)，藍(lán)牙微型斷路器使用藍(lán)牙廣播發(fā)送自動(dòng)配對(duì)特征碼；

步驟4電能表初始化后檢查從機(jī)列表，檢測(cè)斷路器從機(jī)未設(shè)置時(shí)發(fā)起自動(dòng)尋找表后斷路器。開(kāi)始采樣記錄電流數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)采樣足夠時(shí)通過(guò)算法解調(diào)自動(dòng)配對(duì)特征碼；

步驟5電能表藍(lán)牙模塊掃描藍(lán)牙廣播，當(dāng)藍(lán)牙掃描到一個(gè)或多個(gè)廣播包中自動(dòng)配對(duì)特征碼與電纜線(xiàn)上的自動(dòng)配對(duì)特征碼一致時(shí)，記錄藍(lán)牙微型斷路器地址。掃描一定時(shí)間后得到一個(gè)可能為電能表后安裝的藍(lán)牙微型斷路器列表，連接其中一個(gè)藍(lán)牙微型斷路器；

步驟6電能表產(chǎn)生16 位隨機(jī)數(shù)作為新的自動(dòng)配對(duì)特征碼（稱(chēng)為“配對(duì)特征碼2”），并發(fā)送更改自動(dòng)配對(duì)特征碼命令到藍(lán)牙微型斷路器；

步驟7藍(lán)牙微型斷路器接收命令后，將在電纜線(xiàn)上發(fā)送的數(shù)據(jù)更改為新的自動(dòng)配對(duì)特征碼，也就是“配對(duì)特征碼2”，并回復(fù)電能表更改完成；

步驟8電能表收到回復(fù)后，再次采樣記錄電流數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)采樣足夠時(shí)通過(guò)算法解調(diào)出自動(dòng)配對(duì)特征碼2；

步驟9當(dāng)電能表通過(guò)解析無(wú)功微電流數(shù)據(jù)得到的自動(dòng)配對(duì)特征碼，與其產(chǎn)生的自動(dòng)配對(duì)特征碼一致時(shí)，可以確認(rèn)該斷路器為電能表后安裝的斷路器，存儲(chǔ)該斷路器地址；

步驟10當(dāng)電能表再次解調(diào)得到的自動(dòng)配對(duì)特征碼與新的自動(dòng)配對(duì)特征碼不一致時(shí)，斷開(kāi)連接的藍(lán)牙微型斷路器并在掃描列表中刪除該藍(lán)牙微型斷路器地址，設(shè)置連接下一個(gè)藍(lán)牙微型斷路器并轉(zhuǎn)到步驟6。如果掃描列表為空則認(rèn)為自動(dòng)尋找表后斷路器失敗。

4 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)新一代電能表通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行表后開(kāi)關(guān)費(fèi)控的需求，綜合分析了基于藍(lán)牙技術(shù)的現(xiàn)有研究和應(yīng)用，明確了自動(dòng)、精準(zhǔn)配對(duì)是電能表藍(lán)牙微型斷路器需要攻克的關(guān)鍵難題。本文提出了藍(lán)牙智能微型斷路器的總體設(shè)計(jì)方案，規(guī)定了各功能模塊的主要作用。提出了基于電流指紋技術(shù)的精準(zhǔn)配對(duì)方法，給出了電流指紋特征，設(shè)計(jì)了電流指紋模塊及特征碼編碼方式，為藍(lán)牙電能表與所屬藍(lán)牙微型斷路器之間的自動(dòng)精準(zhǔn)配對(duì)提出了可行方案。本文提出了配對(duì)模塊與藍(lán)牙模塊、計(jì)量芯片之間的信息交換方法，設(shè)計(jì)了基于霍爾傳感器的開(kāi)關(guān)觸頭位置監(jiān)測(cè)電路，設(shè)計(jì)了藍(lán)牙電能表與藍(lán)牙微型斷路器之間的自動(dòng)配對(duì)原理及流程，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙電能表與所屬藍(lán)牙微型斷路器之間的自動(dòng)精準(zhǔn)配對(duì)，解決了電能表用藍(lán)牙微型斷路器自動(dòng)、精準(zhǔn)配對(duì)的技術(shù)瓶頸，為藍(lán)牙微型斷路器的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。