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申报论文

（中级）

题目：基于蓝牙通信的用电检查信息

采集传输单元

单位：南瑞智芯微电子科技有限公司

姓名：苗军

课题方向：电力电子

2014 年 6 月20 日

摘要

传统电力系统中实际抄表中电表设备安装位置高，安装隐蔽等现象，使得电力员工在巡检或者抄表中存在攀爬或安全的隐患，在执行过程中往往效率低下，且操作难度较大。针对这一现象开发一种基于蓝牙通信的用电检查信息传输单元，该设备单元和要抄表的设备匹配，使得巡检工作人员，远距离的采用智能手机终端通过蓝牙传输将信息传输，只要巡检人员或普通工作人员手持智能手机Android系统或苹果系统上装有第三方APP软件，就能通过方便及时的将信息显示和保存下来。该信息采集传输单元采用最新蓝牙4.0低功耗技术，传输距离达100m 左右，硬件CPU采用当前处理速度快且性价比高的ARM的crotex-M3核的STM32F103处理器，嵌入式软件采用实时uc/os-11多任务操作系统，更好的处理多进程的应用。该单元提供多种通讯接口，如SPI、485、USB等通讯接口方便其他设备的接入，同时该单元自带储能电池，可以通过USB接口自行充电，满足长时间工作需要等。

关键词：采集单元，蓝牙4.0，STM32F103ZE，库函数、uc/os-?操作系统

目录

摘要.............................................................................................................................................. II 目录............................................................................................................................................. I II 绪论.. (1)

1、技术现状概述 (2)

1.1国内外研究状况 (2)

1.2主要技术国内外专利申请与授权情况 (2)

2、产品设计原理 (3)

2.1 硬件电路设计 (3)

2.1.1 MCU介绍 (3)

2.1.2 外围模块介绍 (4)

2.2 软件设计架构 (6)

2.2.1 操作系统选用 (7)

2.2.2 各模块应用程序 (7)

2.2.3 各模块驱动程序 (8)

3、功能样机 (9)

结论 (9)

参考文献 (9)

绪论

目前用电检查内容及其通信方式呈多样化状态，通过射频RFID读表铅封、射频433M无线模块读表用电数据、红外读表脉冲或扫码、RS485方式读表用电信息等。现有的现场用电检查终端设备大多功能较单一，导致用电检查人员需携带不同功能的多个终端进行现场稽查，增加了用电检查设备成本投入。为了降低用电检查设备投入成本，提高用户操作便捷度，需要开发一套便于现场稽查使用的多功能用电检查设备，对现场用电情况进行方便、快捷的检测、记录。

该单元可集成当前用电检查设备所需的主流通信接口（模块形式），并对各功能接口进行扩展（多接口），可涵盖射频类、红外类、RS485类通用驱动及功能测试模块，用户可操作手机端APP通过蓝牙接口读取设备上相应的检测数据。目前Android平台（手机操作系统）市场份额直线增长，随着蓝牙 4.0 对Android 平台的进一步渗透，借助该平台开发手机端读取用电终端设备数据，通用性广泛、用户操作便捷、产品开发周期及硬件投入成本降低。

蓝牙 4.0拥有低功耗、3 毫秒低延迟、AES-128 加密等特点，包括传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术，其最大优点的是低功耗，对于便携式终端设备而言是不可或缺的。

1、技术现状概述

1.1国内外研究状况

蓝牙技术是一种无线数据与语言通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立连接。蓝牙系统一般由天线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件单元四个功能单元组成。蓝牙技术短时间内在世界范围内成为了标准，它不仅可以让许多种智能设备无线互连，可以传输文件、支持语音通信，还可以建立数据连接等更多的作用。

自从提出蓝牙通信标准以后，各大公司都加大了对蓝牙的投资力度，通过蓝牙认证的产品也越来越多，各类测试设备也日趋成熟。从目前的应用来看，蓝牙的最大优点是体积小、功率低、无线、低成本和自动化，还可通过其他方式无线缆传输数据，包括“红外线通信”，因此其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备中。

蓝牙4.0以其低功耗、低成本的特点智能电子终端产品上结合APP已经有较广泛应用，如智能手机、平板电脑、车载终端、智能传感设备；除此之外，在运动健身、医疗器械、智能家居等方面已有广泛应用。

1.2主要技术国内外专利申请与授权情况

2、 产品设计原理

用电检查数据采集传输单元由蓝牙模块、数据采集外设接口模块、核心处理单元、数据存储单元组成，系统结构图如图1所示。其中数据采集外设接口模块预留了当前通用的主流用电检查数据采集、通信接口，包含红外模块、485模块、RF 模块、光电转换模块等。如需获取实时数据可操作手机端

APP 直接通过蓝牙模块读取外设所采集的用电检查数据（如：光脉冲、红外扫码、

RF 数据等），对于非实时性数据可通过蓝牙模块读取数据存储单元数据（如：电表电流、电压、

功率等）。

图1 用电检查数据采集传输单元功能结构图

2.1 硬件电路设计

2.1.1 MCU 介绍

该蓝牙传输单元的MCU 采用意法半导体公司推出的STM32F103ZE 增强型处理器，该系列使用高性能的ARM? Cortex ?-M3 32位的RISC 内核，工作频率为72MHz ，内置高速存储器(高达512K 字节的闪存和64K 字节的SRAM)，丰富的增

强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB 接口和一个CAN接口。

2.1.2 外围模块介绍

蓝牙4.0模块

蓝牙模块采用上海移摩讯技术有限公司生产的MBTV4蓝牙模块，该模块的核心芯片是TI的CC2450，具有低功耗传感网络及近距离无线通讯设备中，高度集成低功耗蓝牙单模式协议栈和低功耗电子元器件于一体，具有12路可AT命

令编程输出I/O口，1路标准UART接口，2路12位ADC输入接口，集成低功耗GATT协议，波特率最高可达115200bps。下图是该模块和MCU连接及自己外围设备的电路图。

图2 蓝牙4.0传输模块连接电路图

红外传输模块

红外传输模块是采用关键的CD74HC4060芯片元器件，由外部4.9152Mhz的晶振产生晶振频率，完成红外传输功能和外部设备接口进行通讯。

图3 红外传输模块

无线射频模块

RF905 无线收发模块（PTR8000+），在Nordic VLSI 公司最新封装改版NRF905 无线通信芯片基础上，特做优化设计，采用高精度贴片晶振，体积更小，性能更优。工作于433MHz 全球开放ISM 频段免许可证使用，高性能低功耗，接收灵敏度高，抗干扰性强，集成度高，通信稳定，是目前最主流的无线收发电路。

图4 无线射频传输模块电路连接图

光脉冲模块

光脉冲模块，主要采用光脉冲芯片元器件即LED0对Q7的9013进行照射，每照一次设备就会计数一次，达到光脉冲计数的效果。

图5 光脉冲模块电路连接图

2.2 软件设计架构

图6 软件架构设计图

2.2.1 操作系统选用

针对该蓝牙采集单元的数据采集实时性、蓝牙4.0、RF905模块、红外传输

等具有多功能和多任务性，该单元采用

入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上。

该操作系统具有，在任务管理（时间管理、内存管理）、通信同步、任务调度、中断机理等一套完整的计算机操作系统管理机制，可以完整的搭建系统任务，以下是该系统的典型应用。

void main(void)

{

OSInit(); //系统初始化

InitTimer0(); // Timer0初始化，Timer0作为系统时钟节拍源

OSTaskCreate(job1, (void *)0, (void *)&TaskStk[1][0],6); /*建立任务1 */ OSTaskCreate(job2, (void *)0, (void *)&TaskStk[2][0],7); /*建立任务2 */

OSStart(); /* 开始多任务调度*/

}

2.2.2 各模块应用程序

各模块与MCU接口通用采集接口包含红外接口、RS485接口、RF通信接口、光脉冲转换模块等，需要的外设资源有UART、SPI、I2C、GPIO、USB等，为了能与现有的标准模块直接对接，接口采用标准化设计并预留扩展口。需要拓展功能时，仅需选择适合的资源口进行对接，实现应用。

以蓝牙为例蓝牙模块与主控制器的物理接口有通用串行总线（USB）、串行端口（RS232）、通用异步收发器（UART）等。其中UART接口是蓝牙模块最常用的外围接口之一，在蓝牙模块与主控器的数据传输以及蓝牙模块指令控制方面应用的比较广泛，因采用UART接口与主控制器通信。

图7 各模块应用函数程序2.2.3 各模块驱动程序

图8 各模块驱动函数程序

3、功能样机

图9 样机实物图片

结论

该产品有益之处在于：

1．相比其他无线传输技术，蓝牙4.0拥有低功耗、3 毫秒低延迟、AES-128 加密等特点，包括传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术，其最大优点的是低功耗，对于便携式终端设备而言是不可或缺的。

2. 由于采用蓝牙技术，可以采用当今流行的智能手机APP手机软件，方便的通过蓝牙通信进行信息显示和存储，大大节约了巡检和抄表工作量，是日常电力系统业务需求所在。

参考文献

[1] 金纯、许光辰、孙睿《蓝牙技术》北京：电子工业出版社2001-3-1

[2] 欧阳骏、陈子龙、黄宁淋蓝牙4.0 BLE开发完全手册:物联网开发技术实战

化学工业出版社; 第1版2013年5月1日.

[3] 魏洪兴嵌入式系统设计导论[J] 北京航空航天大学机器人研究所（课件）

[4] 任哲嵌入式实时操作系统μCOS-II原理及应用[M] 北京：北京航空航天大

学2009.9

[5] STM32固件库使用手册的中文翻译版, 意法半导体公司