一种具有蓝牙功能的IC卡预付费电能表设计

马旭旭许 新

（1. 国家电网宁夏电力公司，银川 750000；2. 复旦大学信息科学与工程学院电子工程系，上海 200433）



一种具有蓝牙功能的IC卡预付费电能表设计

马旭旭1许 新2

（1. 国家电网宁夏电力公司，银川 750000；2. 复旦大学信息科学与工程学院电子工程系，上海 200433）

本文介绍了一款具有蓝牙通信功能的 IC卡预付费电能表，设计的智能电能表选用了ARM单片机STM32L151作为该装置的主控制器，在通信功能上，除了传统的485通信还增加了蓝牙通信功能，蓝牙通信选用的是BT-HC05专用蓝牙通信模块；所设计的智能电能表能够通过蓝牙模块与手机建立连接，用户能够通过手机实时查看当前的电能数据、功率数据及剩余电量等，便于实时了解自家的用电情况，便于合理配置自己的用电设备，也有利于用户养成节约用电的习惯。

电能表；ARM单片机；STM32L151；BT-HC05；蓝牙通信

IC卡预付费电度表是近年来已经被普遍采用的电能计量设备，它的使用免去了以往供电部门人员挨家挨户抄表的繁重劳动。有些IC卡预付费电能表还具有分时电价的功能，供电部门可以根据国家政策制定不同时刻不同电价，对老百姓合理用电也起到了一定作用。但总体来说目前的IC卡预付费电能表功能比较单一，与我国提倡的智能家电及物联网的要求相差甚远；为了实现电度表灵活通信、智能联网的功能。本文提出了将蓝牙技术应用到智能IC卡预付费电能表中，实现电能表与手机、笔记本电脑等智能设备的连接，从而扩展的电能表的功能，使用户能够通过手机等智能终端就能够实时了解家庭用电的情况。

1　系统结构

具有蓝牙功能的 IC卡预付费电能表是一个以单片机作为主控制器的智能自动化仪表，完成电能计量、IC卡读写、数据存储、蓝牙通信及485通信等功能，主要由主控制器、电源功能模块、电能计量模块、IC卡读写模块、数据存储模块、蓝牙通信模块、显示输出模块、按键输入模块及485通信模块等9部分组成。其系统结构如图1所示。

图1　系统结构框图

1.1主控制器

主控制器我采用高性能 ARM 单片机STM32F151C8T6，该款单片机是由德国ST公司出品的高性能32位单片机，抗干扰性好，运算速度快，目前在电力系统智能设备中广泛应用；为了使其工作可靠性更高，我采用了 ST公司上产的外部专用看门狗芯片STWD100，主控制器部分原理接线如图2所示。

图2　主控制器部分原理接线图

STM32L151C8T6单片机作支持1.65～3.6V电压供电，本设计中采用3.3V电源给单片机供电，单片机的时钟电路我选用了8M晶振作为主晶振，经过其内部倍频可使其工作主频率达到72MHz；另外为了实现精确定时，我选用了偏外接32.768kHz晶振作为实时时钟晶振，该芯片具有良好的低功耗性能，采用低功耗模式时仅需消耗9μA电流；除此之外，该芯片具有丰富的片内资源，抗干扰性好，能够完全满足智能电表的要求。

主控制器原理接线图中，C1、C2起到滤波作用，C1是一个 10μF的电解电容，可以滤除较低频率的杂波；C2是0.1μF的瓷片电容，可以滤除高频干扰信号，这两个电容配合使用可以保证单片机供电电压的稳定；RC串联电路R1和C5实现上电复位功能；STWD100是一个高度稳定的外部看门狗芯片，正常工作时，单片机通过PA0管脚实现对STWD100的喂狗，一旦出现单片机受到干扰，出现工作不正常的情况，则看门狗芯片会在1.6s内对单片机复位，从而保证电能表长期稳定可靠工作。

1.2电能计量模块

电能计量采用脉冲电能表的形式，将传统电能表铝盘的转动转换为脉冲，单片机对脉冲计数实现电能的计量。具体实现方法是在电能表的转盘上开一个孔，并在转盘的上下方分别安装一个发光二极管和光敏三极管。当转盘的圆孔转到发光二极管和光敏三极管之间时，发光二极管发出的光透过该孔照到光敏三极管上，光敏三极管导通，电路输出一个高电平脉冲，该部分的原理图如图3所示。

图3　电能脉冲测量原理图

电能表铝盘每转一圈代表的电能量是一定的，单片机对脉冲个数计数就得到用户消费电能量的值，该图中PA2对应的是单片机的定时器T1的脉冲输入管脚，每得到一个脉冲单片机能够自动计数；另外，通过计算单位时间内脉冲的个数还可以计算出当前用户的用电功率。

1.3IC卡读写模块

本电能表IC卡采用接触式IC卡设计，其接口电路包括电源、地、输入和输出4个端口。其具体电路如图4所示。

图4中，PA3配置为输入模式，用于接收IC卡数据，PA4配置为输出模式，用于IC卡的配置和数据的输出。电能表运行时，实时检测IC卡是否存在；仅IC卡插入时才对IC卡进行读写操作。

图4　IC卡读写部分电路图

1.4蓝牙通信模块设计

本电能表采用了蓝牙通信技术，使用户可以通过手机和电能表建立连接，通过手机实时查看目前家庭的用电功率和电能量及电量余额等情况，大大方便了用户的使用，能够促进用户合理节约用电，该蓝牙功能我采用了专用的蓝牙通信模块BT-HC05，该模块与单片机接口简单，体积小，指令简洁。该模块仅6个管脚，管脚间距为2.54mm，焊接方便。

该模块的电源管脚VCC和GND分别接到3.3V电源和地，其串行发送数据管脚TXD接到单片机的串行输入管脚PA10，BT-HC05的串行输入管脚RXD接到单片机的串行输出管脚PA9；BT-HC05的配置控制管脚KEY接到单片机的PA5，BT-HC05的LED用于提示该模块与手机的配对是否成功，如果配置成功则该管脚输出高电平，否则输出低电平，我把改管脚接到单片机的 PA6，从而单片机就可以判断出蓝牙模块配对的状态。

1.5电源模块

本装置所有芯片供电电压都是直流3.3V，所以电源模块需要将 220V交流电降压整流，并经稳压芯片实现3.3V稳压直流的输出，具体设计电路如图5所示。

图5　电源部分设计原理图

该电源电路中通过变压器T1将220交流电降低为幅值9V交流电，T1变比为220/6.3V，B1是一个整流桥，采用的二极管型号为1N4007，HT7333是一个常用的低压差线性稳压芯片，能够实现3.3V直流的稳压输出；电容C41和C42是两个电解电容，用于实现滤波稳压的作用。

1.6RS-485通信模块

RS485通信具有接口简单、通信线少，并且能够实现较长距离传输的特点，目前已经作为大多数智能设备的标准通信接口，在本设计中，为了实现智能电能表与其他智能设备485通信的需要，设计了具有光电隔离功能的RS-485通信接口，采用采用隔离型485专用芯片ADM2587E，该部分接线原理图如图6所示。

图6　RS485接口原理接线图

ADM2587E是一款具有光电隔离功能的半双工RS-485通信接口芯片，具有外围原件少、接线简单、隔离功能强等优点，所以在智能设备485接口设计中被广泛引用。图6中，PB9控制RS-485的通信方向，低电平则工作在接收状态，高电平则该接口芯片工作在发送状态；PB10是单片机的 USART2的输出管脚，PB11是单片机USART2的输入管脚。电容 C51～C58是为了保证通信信号的稳定，图中的GND485表示485信号侧的地，该地与电路板其他部分的地是相互隔离的。

除了以上电路之外，在本电表中为了保存当前剩余电量及相关历史数据等情况，我还设计了数据存储电路；该电路选用的芯片是常用的I2C接口的EEPROM芯片AT24C512；为了实现当前电量的显示输出，本电能表中还设计了通过步进电机驱动显示字轮实现电量显示的功能；为了实现按键命令控制，还设计了按键输入电路。限于篇幅，这三部分功能在本论文中不再详细介绍。

2　蓝牙通信功能的实现

若实现手机通过蓝牙功能与该智能电表的蓝牙模块通信，需要对蓝牙模块进行设置，对该蓝牙模块进行设置时通信波特率必须设置为38400bps，具体设置过程如下：

1）设置蓝牙模块的名字

设置通过 AT指令方式实现，比如发送 AT+ NAME=DIANBIAO，则设置该蓝牙模块的名字为“DIANBIAO”。

2）设置蓝牙通信密码

向蓝牙模块发送设置指令：AT+PSWD=1234，则设置蓝牙连接通信命令的密码为1234，该密码必须为4位数字。

3）设置模块通信波特率

该 BT-HC05模块与单片机通信的波特率默认为9600bps，可以设置为其他波特率。设置波特率的指令为：AT+UART=9600,0,0，命令字符串中字符都要用半角英文。

4）手机安装蓝牙串口助手程序

厂家提供的蓝牙串口助手程序是“蓝牙串口助手v1.97.apk”，该程序只能适应Android操作系统，把该程序安装到手机上，打开手机的蓝牙功能，搜索到DIANBIAO，输入密码“1234”建立连接。

手机与蓝牙模块建立连接后，通过手机上打开蓝牙助手程序，就可以实现与电能表通信了；可以接收电能表发过来的文本数据，也可以向电能表发送文本数据，实现对电能表的控制。该蓝牙助手程序功能比较简单，用户可以根据特定需要开发专用的APP程序。

3　应用情况

本设计中采用的蓝牙模块是以 CC2541为核心芯片，采用3.3V供电，三线TTL串口实现通信，与本设计中的单片机可以直接通过串口连接。单片机就像访问串口一样可以很方便地通过蓝牙模块与装有相应软件的手机或电脑通信。其他外围芯片也都是选用3.3V低功耗芯片。因此，整个装置具有电路简单、结构紧凑、数据传输方便、能耗低的特点，已经在笔者电力公司的技改项目中得到应用。

日常抄表是运维工人的一项繁重工作，该电能表由于使用了蓝牙技术，极大方便了用户抄表工作。工作人员只要使用装有相应APP的智能手机，在该电度表10m之内就能完成抄表、设置、校验等各种操作，而且也可以直接通过手机把数据上传到调度中心。电力公司通过应用这种具有蓝牙通信功能的电度表，不但大大降低了工人的劳动强度，而且还提高了工作效率。

4　结论

本文设计的具有蓝牙通信功能的智能电能表采用了低功耗、高性能的单片机作为主控制器，具有功耗低、抗干扰性好、工作稳定的特点；同时加入了蓝牙通信模块，使用户可以通过手机实时查看当前的电能及功率等情况，使电能表更加符合当前用户对智能化电气设备的要求；用户通过蓝牙功能实时查看自己的用电情况，有利于用户实时调整自己的用电设备，有利于节约用电，适合于我国目前提倡的低碳生活的指导思想，所以本文设计的智能电能表有一定的推广和使用价值。

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[3] 陈志旺. STM32嵌入式微控制器快速上手[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.

[4] 陈立周. 电气测量[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

马旭旭（1985-），男，工程师，本科，研究方向电力系统自动化。