馬旭旭許 新

（1. 國家電網寧夏電力公司，銀川 750000；2. 復旦大學信息科學與工程學院電子工程系，上海 200433）

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一種具有藍牙功能的IC卡預付費電能表設計

馬旭旭1許 新2

（1. 國家電網寧夏電力公司，銀川 750000；2. 復旦大學信息科學與工程學院電子工程系，上海 200433）

本文介紹了一款具有藍牙通信功能的 IC卡預付費電能表，設計的智能電能表選用了ARM單片機STM32L151作為該裝置的主控制器，在通信功能上，除了傳統(tǒng)的485通信還增加了藍牙通信功能，藍牙通信選用的是BT-HC05專用藍牙通信模塊；所設計的智能電能表能夠通過藍牙模塊與手機建立連接，用戶能夠通過手機實時查看當前的電能數據、功率數據及剩余電量等，便于實時了解自家的用電情況，便于合理配置自己的用電設備，也有利于用戶養(yǎng)成節(jié)約用電的習慣。

電能表；ARM單片機；STM32L151；BT-HC05；藍牙通信

IC卡預付費電度表是近年來已經被普遍采用的電能計量設備，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。有些IC卡預付費電能表還具有分時電價的功能，供電部門可以根據國家政策制定不同時刻不同電價，對老百姓合理用電也起到了一定作用。但總體來說目前的IC卡預付費電能表功能比較單一，與我國提倡的智能家電及物聯(lián)網的要求相差甚遠；為了實現(xiàn)電度表靈活通信、智能聯(lián)網的功能。本文提出了將藍牙技術應用到智能IC卡預付費電能表中，實現(xiàn)電能表與手機、筆記本電腦等智能設備的連接，從而擴展的電能表的功能，使用戶能夠通過手機等智能終端就能夠實時了解家庭用電的情況。

1　系統(tǒng)結構

具有藍牙功能的 IC卡預付費電能表是一個以單片機作為主控制器的智能自動化儀表，完成電能計量、IC卡讀寫、數據存儲、藍牙通信及485通信等功能，主要由主控制器、電源功能模塊、電能計量模塊、IC卡讀寫模塊、數據存儲模塊、藍牙通信模塊、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)結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結構框圖

1.1主控制器

主控制器我采用高性能 ARM 單片機STM32F151C8T6，該款單片機是由德國ST公司出品的高性能32位單片機，抗干擾性好，運算速度快，目前在電力系統(tǒng)智能設備中廣泛應用；為了使其工作可靠性更高，我采用了 ST公司上產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單片機作支持1.65～3.6V電壓供電，本設計中采用3.3V電源給單片機供電，單片機的時鐘電路我選用了8M晶振作為主晶振，經過其內部倍頻可使其工作主頻率達到72MHz；另外為了實現(xiàn)精確定時，我選用了偏外接32.768kHz晶振作為實時時鐘晶振，該芯片具有良好的低功耗性能，采用低功耗模式時僅需消耗9μA電流；除此之外，該芯片具有豐富的片內資源，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 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，這兩個電容配合使用可以保證單片機供電電壓的穩(wěn)定；RC串聯(lián)電路R1和C5實現(xiàn)上電復位功能；STWD100是一個高度穩(wěn)定的外部看門狗芯片，正常工作時，單片機通過PA0管腳實現(xiàn)對STWD100的喂狗，一旦出現(xiàn)單片機受到干擾，出現(xiàn)工作不正常的情況，則看門狗芯片會在1.6s內對單片機復位，從而保證電能表長期穩(wěn)定可靠工作。

1.2電能計量模塊

電能計量采用脈沖電能表的形式，將傳統(tǒng)電能表鋁盤的轉動轉換為脈沖，單片機對脈沖計數實現(xiàn)電能的計量。具體實現(xiàn)方法是在電能表的轉盤上開一個孔，并在轉盤的上下方分別安裝一個發(fā)光二極管和光敏三極管。當轉盤的圓孔轉到發(fā)光二極管和光敏三極管之間時，發(fā)光二極管發(fā)出的光透過該孔照到光敏三極管上，光敏三極管導通，電路輸出一個高電平脈沖，該部分的原理圖如圖3所示。

圖3　電能脈沖測量原理圖

電能表鋁盤每轉一圈代表的電能量是一定的，單片機對脈沖個數計數就得到用戶消費電能量的值，該圖中PA2對應的是單片機的定時器T1的脈沖輸入管腳，每得到一個脈沖單片機能夠自動計數；另外，通過計算單位時間內脈沖的個數還可以計算出當前用戶的用電功率。

1.3IC卡讀寫模塊

本電能表IC卡采用接觸式IC卡設計，其接口電路包括電源、地、輸入和輸出4個端口。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卡數據，PA4配置為輸出模式，用于IC卡的配置和數據的輸出。電能表運行時，實時檢測IC卡是否存在；僅IC卡插入時才對IC卡進行讀寫操作。

圖4　IC卡讀寫部分電路圖

1.4藍牙通信模塊設計

本電能表采用了藍牙通信技術，使用戶可以通過手機和電能表建立連接，通過手機實時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，能夠促進用戶合理節(jié)約用電，該藍牙功能我采用了專用的藍牙通信模塊BT-HC05，該模塊與單片機接口簡單，體積小，指令簡潔。該模塊僅6個管腳，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)送數據管腳TXD接到單片機的串行輸入管腳PA10，BT-HC05的串行輸入管腳RXD接到單片機的串行輸出管腳PA9；BT-HC05的配置控制管腳KEY接到單片機的PA5，BT-HC05的LED用于提示該模塊與手機的配對是否成功，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的 PA6，從而單片機就可以判斷出藍牙模塊配對的狀態(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，并經穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)3.3V穩(wěn)壓直流的輸出，具體設計電路如圖5所示。

圖5　電源部分設計原理圖

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

1.6RS-485通信模塊

RS485通信具有接口簡單、通信線少，并且能夠實現(xiàn)較長距離傳輸的特點，目前已經作為大多數智能設備的標準通信接口，在本設計中，為了實現(xiàn)智能電能表與其他智能設備485通信的需要，設計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、接線簡單、隔離功能強等優(yōu)點，所以在智能設備485接口設計中被廣泛引用。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是單片機的 USART2的輸出管腳，PB11是單片機USART2的輸入管腳。電容 C51～C58是為了保證通信信號的穩(wěn)定，圖中的GND485表示485信號側的地，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前剩余電量及相關歷史數據等情況，我還設計了數據存儲電路；該電路選用的芯片是常用的I2C接口的EEPROM芯片AT24C512；為了實現(xiàn)當前電量的顯示輸出，本電能表中還設計了通過步進電機驅動顯示字輪實現(xiàn)電量顯示的功能；為了實現(xiàn)按鍵命令控制，還設計了按鍵輸入電路。限于篇幅，這三部分功能在本論文中不再詳細介紹。

2　藍牙通信功能的實現(xiàn)

若實現(xiàn)手機通過藍牙功能與該智能電表的藍牙模塊通信，需要對藍牙模塊進行設置，對該藍牙模塊進行設置時通信波特率必須設置為38400bps，具體設置過程如下：

1）設置藍牙模塊的名字

設置通過 AT指令方式實現(xiàn)，比如發(fā)送 AT+ NAME=DIANBIAO，則設置該藍牙模塊的名字為“DIANBIAO”。

2）設置藍牙通信密碼

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

3）設置模塊通信波特率

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

4）手機安裝藍牙串口助手程序

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

手機與藍牙模塊建立連接后，通過手機上打開藍牙助手程序，就可以實現(xiàn)與電能表通信了；可以接收電能表發(fā)過來的文本數據，也可以向電能表發(fā)送文本數據，實現(xiàn)對電能表的控制。該藍牙助手程序功能比較簡單，用戶可以根據特定需要開發(fā)專用的APP程序。

3　應用情況

本設計中采用的藍牙模塊是以 CC2541為核心芯片，采用3.3V供電，三線TTL串口實現(xiàn)通信，與本設計中的單片機可以直接通過串口連接。單片機就像訪問串口一樣可以很方便地通過藍牙模塊與裝有相應軟件的手機或電腦通信。其他外圍芯片也都是選用3.3V低功耗芯片。因此，整個裝置具有電路簡單、結構緊湊、數據傳輸方便、能耗低的特點，已經在筆者電力公司的技改項目中得到應用。

日常抄表是運維工人的一項繁重工作，該電能表由于使用了藍牙技術，極大方便了用戶抄表工作。工作人員只要使用裝有相應APP的智能手機，在該電度表10m之內就能完成抄表、設置、校驗等各種操作，而且也可以直接通過手機把數據上傳到調度中心。電力公司通過應用這種具有藍牙通信功能的電度表，不但大大降低了工人的勞動強度，而且還提高了工作效率。

4　結論

本文設計的具有藍牙通信功能的智能電能表采用了低功耗、高性能的單片機作為主控制器，具有功耗低、抗干擾性好、工作穩(wěn)定的特點；同時加入了藍牙通信模塊，使用戶可以通過手機實時查看當前的電能及功率等情況，使電能表更加符合當前用戶對智能化電氣設備的要求；用戶通過藍牙功能實時查看自己的用電情況，有利于用戶實時調整自己的用電設備，有利于節(jié)約用電，適合于我國目前提倡的低碳生活的指導思想，所以本文設計的智能電能表有一定的推廣和使用價值。

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