智能电表和外置蓝牙断路器的配对方法

智能电表和外置蓝牙断路器的配对方法
王甲，华号，曹晓锋.

摘要：基于对智能电表中计量芯片的原理分析，提出了一种利用功率调节作为编码方式的通信，最终实现了智能电表和外置蓝牙断路器的准确配对。

关键词：集成电路设计，智能电表，蓝牙通信，断路器，功率编码。

中图分类号：TN402，TP336

文章编号：1000-0755(2019)01-0070-02

中文引用格式：王甲，华号，曹晓锋.智能电表和外置蓝牙断路器的配对方法`J`.电子技术, 2019, 48(01): 70-71.

Pairing of Smart Meter and External Bluetooth Circuit Breaker

Abstract — By analyzing the principle of the metering chip in the smart meter, this paper proposes a communication that uses power adjustment as the encoding method, and finally achieves the accurate pairing of the smart meter and the external Bluetooth circuit breaker.

Index Terms — IC design, smart meter, bluetooth communication, circuit breaker, power coding.

0  引言 

目前智能电表外部常会使用无线技术接入一些功能模块，如图1所示，智能电表A外部接了一个无线模块A。如“无线模块A”可以是蓝牙断路器，以下为了更为清晰的说明，“无线模块A”均以“蓝牙断路器A”替代说明，“无线通信”均以“蓝牙通信”替代说明。

1  现有状况分析

继续结合图1，智能电表和蓝牙断路器通过蓝牙实现配对后，这样智能电表即能通过蓝牙来实现对蓝牙断路器的通断控制。火线出和零线出穿过蓝牙断路器，这样智能电表即能实现对断路器后端用电器用电情况的计量。

上述这种方法虽然原理清晰，但在实际使用中却会出现如下情况，如在图2的场景中：一个电表箱中常常有多只智能电表分别一对一搭配多只蓝牙断路器，而断路器一般又没有屏幕显示。由于智能电表与蓝牙断路器之间是靠蓝牙通信的，在实际的配对过程中极有可能A电表配对到了B断路器，这样会造成A电表实际计量的是A断路器后接的负载，但对断路器发出控制命令时却下发到了B断路器上。并且，更为严重的是，如果表箱中电表一旦存在了错误配对，那么这种错误配对至少是两只以上甚至更多，这样会造成极大的使用问题`1-6`。

2  应用技术

  2.1 计量芯片的功率变换

电能表内部计量芯片对用电器或负载进行测量时，如果用电器或负载产生周期性变化时，那么电能表中计量芯片计量的功率也会发生周期性变化。其原理如下图3所示。

根据功率公式可知：P(t)＝V(t)×I(t)，计量芯片的功率和负载变化是可以取得函数对应关系。而计量某一负载的功率就是对这一负载的电压、电流进行采样，采样后，将信号进行乘法运算，得到功率。因此，如果计量的是一个固定的负载，如果这个负载是周期性变化的，那么功率就是周期性变化的。

  2.2 配对通信技术

两个无线通信模块A和B进行配对通信时，如果A已知了B的唯一身份识别码，如MAC地址（Media Access Control Address，也称物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的地址，通常一个网络内，MAC地址是唯一的）、通信地址等信息，那么就可以保证A和B进行配对时是唯一配对。

3 解决方案

  3.1 方案描述

不增加任何其他的设施，仅通过蓝牙断路器与智能电表相连的电力线作为通信介质，实现表箱内的智能电表和蓝牙断路器一对一配对（结合图4）。在图4中可以看到，电能表A要和无线模块A进行配对，本质就是电能表A中无线通信模块和无线模块A中的通信模块配对后，进行数据交互，图4中虚线即表示无线通信。

  3.2 满足本方案的无线模块的特征

继续结合图4，在无线模块A中增加了能够被电能表计量采样的模拟负载，并且这个负载是一大一小2个固定值，且R大＞R小，这就意味着，当这两个模拟负载被接入到计量回路中后，产生的功率也将是P大＞P小。增加了一个切换开关，这个切换开关可以控制模拟负载是否被接入到电能表的计量回路中去，且切换开关受无线模块MCU控制。

无线模块MCU可以和无线模块上的通信模块进行数据交互，可以取得无线模块的唯一身份识别码（如上文所述MAC地址，此处假设该模块MAC地址为123456）。无线模块A后端带有开关K，可选择后端的各种用电器是否通过无线模块A被接入到电能表的计量回路中去。

  3.3 满足本方案的电能表中的特征

仍结合图4，电能表A中MCU和计量芯片可以进行数据交互；且电能表A中MCU可以和电能表无线通信模块进行数据交互；还有，电能表A中计量芯片可以实现对其计量回路即火线出、零线出回路的所有用电器或负载进行计量。

  3.4 本方案的实现步骤

（1）使无线模块A后端开关K置于开路，保证无线模块后端负载不能接入到计量回路中去。（2）无线模块MCU根据预设程序读取无线通信模块的唯一识别地址，如上文例，MAC地址123456。（3）无线模块MCU根据预设程序将MAC地址123456整合成为程序预设好的数据格式，如“FEFE+MAC地址+FEFE”，此处的用意在于连续的FEFE可以作为数据识别标识位。这样可以保证如果数据连贯发送时，真实数据的顺序。如文中所述，无线MCU整理好的数据格式为“FEFE123456FEFE”。（4）无线模块MCU将整理好的数据格式转化为二进制数，如“FEFE123456FEFE”转化为“11111110111111100001001000110100010101101111111011111110”。（5）无线模块MCU按照预设好的速率，控制切换开关，选择将模拟负载按照上述已翻译好的二进制数“1”对应R大,“0”对应R小，按照次序依次调制。（6）当计量芯片测量到无线模块A按次序依次调制的不同负载时，其测量到的功率也会对应的出现一个高低变化，这样即实现了对上述二进制数据的接收。（7）计量芯片将这样的功率变化通过数据交换，给电能表MCU，电能表MCU将功率高低，解调成为二进制数“11111110111111100001001000110100010101101111111011111110”，并将其重新转化回程序预设的“FEFE+MAC地址+FEFE”结构，剥离FEFE,即得到无线模块上通信模块的MAC地址123456。（8）电能表MCU将该MAC地址通过数据交换给电能表的无线通信模块，该通信模块获知该MAC地址后，即可对无线模块中的通信模块进行配对，这样的配对是唯一的。

4 方案拓展

本方案的调制和解调利用的是计量芯片的计量特性实现的，阐述的是虚拟电阻产生的功率特性，不排除有其他设计思路中使用频率、脉冲常数等特性传递数据，这同样可视作本方案的一种改进。

本文基于计量芯片进行采集和MCU进行数据解调，但目前智能电表中已有将计量芯片和MCU合并到一起的SoC芯片。因此，但凡涉及使用电表采集方式的，应考虑并归本方案。

5  结语 

通过上述方法，可实现表箱内的电表和其断路器在不增加任何人工调试的情况下，实现了一一对应，为保障智能电表和断路器的安装和普及，提供了有力的技术支持。

参考文献

`1` 王甲,唐振宁,李婉婷.一种基于时测函数法的水表设计`J`.集成电路应用,2018,35(03):30-32.

`2` 王甲,阮颐,张璐雅.基于超声波技术的液体计量SoC芯片设计`J`.集成电路应用,2018,35(05): 23-26.

`3` 王甲,阮颐,张璐雅.基于北斗卫星导航系统和地理信息系统的自动抄表系统设计`J`.集成电路应用,2018,35(05):15-17.

`4` 王甲,阮颐.一种简化型M-BUS通信芯片设计`J`.集成电路应用,2017,34(01):33-35.

`5` 王甲,傅代军,阮颐,宋文博.一种单IO口控制的继电器驱动芯片设计思路`J`.集成电路应用, 2017,34(05):27-29.

`6` 王甲,阮颐,傅代军.一种可识别漏电设备的电能计量芯片的设计研究`J`.集成电路应用,2018, 35(06):12-14.

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