熊德智，肖 宇，張保亮，熊素琴

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

新一代電能表（IR46 模組化電能表）對數(shù)據(jù)通信要求越來越高，在我國現(xiàn)有的電能表技術(shù)體系里，電能表通信主要由通信模塊（電力線載波、微功率無線等）、RS485、紅外來實(shí)現(xiàn)，從實(shí)際應(yīng)用來看，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BLE（MRT-BLE）協(xié)議，它是在BLE 之上開發(fā)的一種實(shí)時協(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)范不支持通過多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時通信的難題；文獻(xiàn)[3]開發(fā)了機(jī)會藍(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]建立了一個評估藍(lán)牙綜合性能的分析模型，例如信號碰撞概率，發(fā)現(xiàn)延遲，能耗等；文獻(xiàn)[5]開發(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)測被測人的心跳和呼吸；文獻(xiàn)[6]研究了使用12 種不同的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法對藍(lán)牙信號行為的表征，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識；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、低壓差線性穩(wěn)壓器、電機(jī)驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、齒輪位置監(jiān)測模塊、分合閘反饋模塊、手/自動模式切換模塊、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)對藍(lán)牙模塊接收的控制命令進(jìn)行解密處理，負(fù)責(zé)對向上發(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，并提供給低壓差線性穩(wěn)壓器，低壓差線性穩(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)動模塊等使用；電機(jī)驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行MCU 的分合閘控制命令，通過直流電機(jī)和齒輪傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動斷路器本體進(jìn)行分合閘；齒輪位置監(jiān)測模塊通過傳感器監(jiān)測齒輪的位置信息，并上傳給MCU；分合閘反饋模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測斷路器出線電壓，并將信息反饋給MCU；通過手/自動模式切換，可實(shí)現(xiàn)斷路器在自動控制和手動控制方式之間的轉(zhuǎn)換。

2 自動配對關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電流指紋技術(shù)研究

自動配對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%；自動配對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，工作時無功功耗小于30 Var。

2.2 電流指紋模塊電路設(shè)計(jì)

電流指紋模塊通過電力線微電流和2.4 G 無線廣播的方式發(fā)送藍(lán)牙配對碼，當(dāng)上端電能表通過電力線接收、解調(diào)得到的自動配對特征碼與其藍(lán)牙模塊接收、解調(diào)得到的自動配對特征碼一致時，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，按信息特征生成無功電流信號。

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。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)生介紹橋的類型、歷史以及構(gòu)造。學(xué)生要考慮用什么知識(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教育活動主題，完成相關(guān)知識、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)會應(yīng)用所學(xué)知識的基礎(chǔ)上發(fā)展獨(dú)立思考、選擇資源工具與解決問題的能力。

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

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

2.3 配對模塊信息交互設(shè)計(jì)

2.3.1 與藍(lán)牙模塊交互設(shè)計(jì)

自動配對功能模塊與藍(lán)牙模塊交互設(shè)計(jì)如圖4所示。自動配對功能模塊與藍(lán)牙模塊的交互需要經(jīng)過消息路由。當(dāng)自動配對功能模塊需要發(fā)送命令給藍(lán)牙模塊時，通過基礎(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 通過底層驅(qū)動將命令發(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)送給配對模塊時，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)給自動配對功能模塊。

圖4 自動配對功能模塊與藍(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)

自動配對功能模塊與計(jì)量芯交互設(shè)計(jì)如圖5所示。自動配對功能模塊與計(jì)量芯的交互需要經(jīng)過消息路由。當(dāng)自動配對功能模塊需要通知計(jì)量芯時，通過基礎(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 通過底層驅(qū)動將命令發(fā)給計(jì)量芯。當(dāng)去讀取計(jì)量芯數(shù)據(jù)時，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)給自動配對功能模塊。

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

2.4 霍爾監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

霍爾監(jiān)測電路如圖6所示。電路主要通過霍爾元器件對觸頭實(shí)際位置進(jìn)行監(jiān)測，通過MOS 管對霍爾傳感器電源進(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)測電路Fig.6 Hall monitoring circuit

當(dāng)斷路器要進(jìn)入低功耗狀態(tài)時，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，進(jìn)行休眠狀態(tài)。當(dāng)斷路器要進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)時，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，通過檢測齒輪內(nèi)嵌磁鐵的磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)觸頭和操作手柄位置的判斷。當(dāng)霍爾傳感器檢測到磁鐵的磁場，霍爾傳感器的2腳會輸出高電平狀態(tài)，CPU 通過檢測到霍爾傳感器的反饋信號，從而控制電動機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。

3 自動配對流程設(shè)計(jì)

自動配對流程如圖7所示，具體配對步驟如下：

步驟1藍(lán)牙微型斷路器產(chǎn)生一個16 位隨機(jī)數(shù)作為自動配對特征碼（稱為“配對特征碼1”）；

步驟2藍(lán)牙微型斷路器以無功電流方式，將自動配對特征碼調(diào)制信號發(fā)送到電纜線上；

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

步驟4電能表初始化后檢查從機(jī)列表，檢測斷路器從機(jī)未設(shè)置時發(fā)起自動尋找表后斷路器。開始采樣記錄電流數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)采樣足夠時通過算法解調(diào)自動配對特征碼；

步驟5電能表藍(lán)牙模塊掃描藍(lán)牙廣播，當(dāng)藍(lán)牙掃描到一個或多個廣播包中自動配對特征碼與電纜線上的自動配對特征碼一致時，記錄藍(lán)牙微型斷路器地址。掃描一定時間后得到一個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)作為新的自動配對特征碼（稱為“配對特征碼2”），并發(fā)送更改自動配對特征碼命令到藍(lán)牙微型斷路器；

步驟7藍(lán)牙微型斷路器接收命令后，將在電纜線上發(fā)送的數(shù)據(jù)更改為新的自動配對特征碼，也就是“配對特征碼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)采樣足夠時通過算法解調(diào)出自動配對特征碼2；

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

步驟10當(dāng)電能表再次解調(diào)得到的自動配對特征碼與新的自動配對特征碼不一致時，斷開連接的藍(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)為自動尋找表后斷路器失敗。

4 結(jié)語

文中針對新一代電能表通過藍(lán)牙進(jìn)行表后開關(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、精準(zhǔn)配對是電能表藍(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精準(zhǔn)配對提出了可行方案。本文提出了配對模塊與藍(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關(guān)觸頭位置監(jiān)測電路，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配對原理及流程，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精準(zhǔn)配對，解決了電能表用藍(lán)牙微型斷路器自動、精準(zhǔn)配對的技術(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)。