馬旭旭許 新

（1. 國(guó)家電網(wǎng)寧夏電力公司，銀川 750000；2. 復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系，上海 200433）

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一種具有藍(lán)牙功能的IC卡預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計(jì)

馬旭旭1許 新2

（1. 國(guó)家電網(wǎng)寧夏電力公司，銀川 750000；2. 復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系，上海 200433）

本文介紹了一款具有藍(lán)牙通信功能的 IC卡預(yù)付費(fèi)電能表，設(shè)計(jì)的智能電能表選用了ARM單片機(jī)STM32L151作為該裝置的主控制器，在通信功能上，除了傳統(tǒng)的485通信還增加了藍(lán)牙通信功能，藍(lán)牙通信選用的是BT-HC05專用藍(lán)牙通信模塊；所設(shè)計(jì)的智能電能表能夠通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)建立連接，用戶能夠通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的電能數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)及剩余電量等，便于實(shí)時(shí)了解自家的用電情況，便于合理配置自己的用電設(shè)備，也有利于用戶養(yǎng)成節(jié)約用電的習(xí)慣。

電能表；ARM單片機(jī)；STM32L151；BT-HC05；藍(lán)牙通信

IC卡預(yù)付費(fèi)電度表是近年來(lái)已經(jīng)被普遍采用的電能計(jì)量設(shè)備，它的使用免去了以往供電部門人員挨家挨戶抄表的繁重勞動(dòng)。有些IC卡預(yù)付費(fèi)電能表還具有分時(shí)電價(jià)的功能，供電部門可以根據(jù)國(guó)家政策制定不同時(shí)刻不同電價(jià)，對(duì)老百姓合理用電也起到了一定作用。但總體來(lái)說(shuō)目前的IC卡預(yù)付費(fèi)電能表功能比較單一，與我國(guó)提倡的智能家電及物聯(lián)網(wǎng)的要求相差甚遠(yuǎn)；為了實(shí)現(xiàn)電度表靈活通信、智能聯(lián)網(wǎng)的功能。本文提出了將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用到智能IC卡預(yù)付費(fèi)電能表中，實(shí)現(xiàn)電能表與手機(jī)、筆記本電腦等智能設(shè)備的連接，從而擴(kuò)展的電能表的功能，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)等智能終端就能夠?qū)崟r(shí)了解家庭用電的情況。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具有藍(lán)牙功能的 IC卡預(yù)付費(fèi)電能表是一個(gè)以單片機(jī)作為主控制器的智能自動(dòng)化儀表，完成電能計(jì)量、IC卡讀寫、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、藍(lán)牙通信及485通信等功能，主要由主控制器、電源功能模塊、電能計(jì)量模塊、IC卡讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、藍(lán)牙通信模塊、顯示輸出模塊、按鍵輸入模塊及485通信模塊等9部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1主控制器

主控制器我采用高性能 ARM 單片機(jī)STM32F151C8T6，該款單片機(jī)是由德國(guó)ST公司出品的高性能32位單片機(jī)，抗干擾性好，運(yùn)算速度快，目前在電力系統(tǒng)智能設(shè)備中廣泛應(yīng)用；為了使其工作可靠性更高，我采用了 ST公司上產(chǎn)的外部專用看門狗芯片STWD100，主控制器部分原理接線如圖2所示。

圖2　主控制器部分原理接線圖

STM32L151C8T6單片機(jī)作支持1.65～3.6V電壓供電，本設(shè)計(jì)中采用3.3V電源給單片機(jī)供電，單片機(jī)的時(shí)鐘電路我選用了8M晶振作為主晶振，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部倍頻可使其工作主頻率達(dá)到72MHz；另外為了實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，我選用了偏外接32.768kHz晶振作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振，該芯片具有良好的低功耗性能，采用低功耗模式時(shí)僅需消耗9μA電流；除此之外，該芯片具有豐富的片內(nèi)資源，抗干擾性好，能夠完全滿足智能電表的要求。

主控制器原理接線圖中，C1、C2起到濾波作用，C1是一個(gè) 10μF的電解電容，可以濾除較低頻率的雜波；C2是0.1μF的瓷片電容，可以濾除高頻干擾信號(hào)，這兩個(gè)電容配合使用可以保證單片機(jī)供電電壓的穩(wěn)定；RC串聯(lián)電路R1和C5實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能；STWD100是一個(gè)高度穩(wěn)定的外部看門狗芯片，正常工作時(shí)，單片機(jī)通過(guò)PA0管腳實(shí)現(xiàn)對(duì)STWD100的喂狗，一旦出現(xiàn)單片機(jī)受到干擾，出現(xiàn)工作不正常的情況，則看門狗芯片會(huì)在1.6s內(nèi)對(duì)單片機(jī)復(fù)位，從而保證電能表長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作。

1.2電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量采用脈沖電能表的形式，將傳統(tǒng)電能表鋁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為脈沖，單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量。具體實(shí)現(xiàn)方法是在電能表的轉(zhuǎn)盤上開(kāi)一個(gè)孔，并在轉(zhuǎn)盤的上下方分別安裝一個(gè)發(fā)光二極管和光敏三極管。當(dāng)轉(zhuǎn)盤的圓孔轉(zhuǎn)到發(fā)光二極管和光敏三極管之間時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光透過(guò)該孔照到光敏三極管上，光敏三極管導(dǎo)通，電路輸出一個(gè)高電平脈沖，該部分的原理圖如圖3所示。

圖3　電能脈沖測(cè)量原理圖

電能表鋁盤每轉(zhuǎn)一圈代表的電能量是一定的，單片機(jī)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)就得到用戶消費(fèi)電能量的值，該圖中PA2對(duì)應(yīng)的是單片機(jī)的定時(shí)器T1的脈沖輸入管腳，每得到一個(gè)脈沖單片機(jī)能夠自動(dòng)計(jì)數(shù)；另外，通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)還可以計(jì)算出當(dāng)前用戶的用電功率。

1.3IC卡讀寫模塊

本電能表IC卡采用接觸式IC卡設(shè)計(jì)，其接口電路包括電源、地、輸入和輸出4個(gè)端口。其具體電路如圖4所示。

圖4中，PA3配置為輸入模式，用于接收IC卡數(shù)據(jù)，PA4配置為輸出模式，用于IC卡的配置和數(shù)據(jù)的輸出。電能表運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)IC卡是否存在；僅IC卡插入時(shí)才對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫操作。

圖4　IC卡讀寫部分電路圖

1.4藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

本電能表采用了藍(lán)牙通信技術(shù)，使用戶可以通過(guò)手機(jī)和電能表建立連接，通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看目前家庭的用電功率和電能量及電量余額等情況，大大方便了用戶的使用，能夠促進(jìn)用戶合理節(jié)約用電，該藍(lán)牙功能我采用了專用的藍(lán)牙通信模塊BT-HC05，該模塊與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，體積小，指令簡(jiǎn)潔。該模塊僅6個(gè)管腳，管腳間距為2.54mm，焊接方便。

該模塊的電源管腳VCC和GND分別接到3.3V電源和地，其串行發(fā)送數(shù)據(jù)管腳TXD接到單片機(jī)的串行輸入管腳PA10，BT-HC05的串行輸入管腳RXD接到單片機(jī)的串行輸出管腳PA9；BT-HC05的配置控制管腳KEY接到單片機(jī)的PA5，BT-HC05的LED用于提示該模塊與手機(jī)的配對(duì)是否成功，如果配置成功則該管腳輸出高電平，否則輸出低電平，我把改管腳接到單片機(jī)的 PA6，從而單片機(jī)就可以判斷出藍(lán)牙模塊配對(duì)的狀態(tài)。

1.5電源模塊

本裝置所有芯片供電電壓都是直流3.3V，所以電源模塊需要將 220V交流電降壓整流，并經(jīng)穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)3.3V穩(wěn)壓直流的輸出，具體設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5　電源部分設(shè)計(jì)原理圖

該電源電路中通過(guò)變壓器T1將220交流電降低為幅值9V交流電，T1變比為220/6.3V，B1是一個(gè)整流橋，采用的二極管型號(hào)為1N4007，HT7333是一個(gè)常用的低壓差線性穩(wěn)壓芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)3.3V直流的穩(wěn)壓輸出；電容C41和C42是兩個(gè)電解電容，用于實(shí)現(xiàn)濾波穩(wěn)壓的作用。

1.6RS-485通信模塊

RS485通信具有接口簡(jiǎn)單、通信線少，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，目前已經(jīng)作為大多數(shù)智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，在本設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)智能電能表與其他智能設(shè)備485通信的需要，設(shè)計(jì)了具有光電隔離功能的RS-485通信接口，采用采用隔離型485專用芯片ADM2587E，該部分接線原理圖如圖6所示。

圖6　RS485接口原理接線圖

ADM2587E是一款具有光電隔離功能的半雙工RS-485通信接口芯片，具有外圍原件少、接線簡(jiǎn)單、隔離功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在智能設(shè)備485接口設(shè)計(jì)中被廣泛引用。圖6中，PB9控制RS-485的通信方向，低電平則工作在接收狀態(tài)，高電平則該接口芯片工作在發(fā)送狀態(tài)；PB10是單片機(jī)的 USART2的輸出管腳，PB11是單片機(jī)USART2的輸入管腳。電容 C51～C58是為了保證通信信號(hào)的穩(wěn)定，圖中的GND485表示485信號(hào)側(cè)的地，該地與電路板其他部分的地是相互隔離的。

除了以上電路之外，在本電表中為了保存當(dāng)前剩余電量及相關(guān)歷史數(shù)據(jù)等情況，我還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路；該電路選用的芯片是常用的I2C接口的EEPROM芯片AT24C512；為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電量的顯示輸出，本電能表中還設(shè)計(jì)了通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示字輪實(shí)現(xiàn)電量顯示的功能；為了實(shí)現(xiàn)按鍵命令控制，還設(shè)計(jì)了按鍵輸入電路。限于篇幅，這三部分功能在本論文中不再詳細(xì)介紹。

2　藍(lán)牙通信功能的實(shí)現(xiàn)

若實(shí)現(xiàn)手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙功能與該智能電表的藍(lán)牙模塊通信，需要對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行設(shè)置，對(duì)該藍(lán)牙模塊進(jìn)行設(shè)置時(shí)通信波特率必須設(shè)置為38400bps，具體設(shè)置過(guò)程如下：

1）設(shè)置藍(lán)牙模塊的名字

設(shè)置通過(guò) AT指令方式實(shí)現(xiàn)，比如發(fā)送 AT+ NAME=DIANBIAO，則設(shè)置該藍(lán)牙模塊的名字為“DIANBIAO”。

2）設(shè)置藍(lán)牙通信密碼

向藍(lán)牙模塊發(fā)送設(shè)置指令：AT+PSWD=1234，則設(shè)置藍(lán)牙連接通信命令的密碼為1234，該密碼必須為4位數(shù)字。

3）設(shè)置模塊通信波特率

該 BT-HC05模塊與單片機(jī)通信的波特率默認(rèn)為9600bps，可以設(shè)置為其他波特率。設(shè)置波特率的指令為：AT+UART=9600,0,0，命令字符串中字符都要用半角英文。

4）手機(jī)安裝藍(lán)牙串口助手程序

廠家提供的藍(lán)牙串口助手程序是“藍(lán)牙串口助手v1.97.apk”，該程序只能適應(yīng)Android操作系統(tǒng)，把該程序安裝到手機(jī)上，打開(kāi)手機(jī)的藍(lán)牙功能，搜索到DIANBIAO，輸入密碼“1234”建立連接。

手機(jī)與藍(lán)牙模塊建立連接后，通過(guò)手機(jī)上打開(kāi)藍(lán)牙助手程序，就可以實(shí)現(xiàn)與電能表通信了；可以接收電能表發(fā)過(guò)來(lái)的文本數(shù)據(jù)，也可以向電能表發(fā)送文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的控制。該藍(lán)牙助手程序功能比較簡(jiǎn)單，用戶可以根據(jù)特定需要開(kāi)發(fā)專用的APP程序。

3　應(yīng)用情況

本設(shè)計(jì)中采用的藍(lán)牙模塊是以 CC2541為核心芯片，采用3.3V供電，三線TTL串口實(shí)現(xiàn)通信，與本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)可以直接通過(guò)串口連接。單片機(jī)就像訪問(wèn)串口一樣可以很方便地通過(guò)藍(lán)牙模塊與裝有相應(yīng)軟件的手機(jī)或電腦通信。其他外圍芯片也都是選用3.3V低功耗芯片。因此，整個(gè)裝置具有電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)傳輸方便、能耗低的特點(diǎn)，已經(jīng)在筆者電力公司的技改項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

日常抄表是運(yùn)維工人的一項(xiàng)繁重工作，該電能表由于使用了藍(lán)牙技術(shù)，極大方便了用戶抄表工作。工作人員只要使用裝有相應(yīng)APP的智能手機(jī)，在該電度表10m之內(nèi)就能完成抄表、設(shè)置、校驗(yàn)等各種操作，而且也可以直接通過(guò)手機(jī)把數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度中心。電力公司通過(guò)應(yīng)用這種具有藍(lán)牙通信功能的電度表，不但大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還提高了工作效率。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的具有藍(lán)牙通信功能的智能電能表采用了低功耗、高性能的單片機(jī)作為主控制器，具有功耗低、抗干擾性好、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)；同時(shí)加入了藍(lán)牙通信模塊，使用戶可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的電能及功率等情況，使電能表更加符合當(dāng)前用戶對(duì)智能化電氣設(shè)備的要求；用戶通過(guò)藍(lán)牙功能實(shí)時(shí)查看自己的用電情況，有利于用戶實(shí)時(shí)調(diào)整自己的用電設(shè)備，有利于節(jié)約用電，適合于我國(guó)目前提倡的低碳生活的指導(dǎo)思想，所以本文設(shè)計(jì)的智能電能表有一定的推廣和使用價(jià)值。

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馬旭旭（1985-），男，工程師，本科，研究方向電力系統(tǒng)自動(dòng)化。