新型无线通信采集模块及其无线通信采集方法与流程

本发明具体涉及一种新型无线通信采集模块及其无线通信采集方法。

背景技术：

随着经济技术的发展和人们生产水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。同时随着智能电网的发展，电力系统的自动化和智能化的程度也越来越高。

智能电能表的上行通信是智能电能表的重要功能之一，其目的为将智能电能表的数据(包括计量数据和工作数据等)上传主站。目前，智能电能表上行通信主要有两种通信方式，一种为无线公网通信方式，另外一种为电力线载波通信方式，两种通信方式都是采用外置模块化设计，均通过插座和插针与智能电能表连接。通过电力载波通信的方式，采集的数据需要经过集中器才能上传到主站；通过无线公网通信方式采集的数据可直接上传到主站。采用电力线载波通信方式采集电能表数据的装置称之为采集器。采用无线公网通信方式的外置模块统称为无线通信采集模块。

目前，电力抄表主要有两种拓扑：1、电能表→采集器→集中器→主站、2、电能表→无线通信采集模块→主站。第一种拓扑适合电表规模较大，集中式管理，例如高层楼宇等场合；第二种拓扑则适合单个表的数据上传。

对于单个电表箱有多块电能表，且与其他电表箱非集中式管理，如单栋低层出租房抄表的场合，采用第一种拓扑方式既复杂，又资源冗余；采用第二种拓扑，由于每块电能表都需要配一个无线通信采集模块，而无线通信采集模块的成本又较高，从而导致整体成本较高。以上两种方式都存在一定的资源浪费，成本偏高。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种成本低廉、可靠性高且部署简单的新型无线通信采集模块。

本发明的目的之二在于提供一种所述新型无线通信采集模块的无线通信采集方法。

本发明提供的这种新型无线通信采集模块，包括电源模块、控制器模块、rs485通信模块、远程无线通信模块和天线模块；rs485通信模块和远程无线通信模块均与控制器模块连接；天线模块与远程无线通信模块连接；电源模块用于给所述新型无线通信采集模块供电；rs485通信模块用于与外部的若干电能表进行rs485总线通信并进行数据交互；控制器模块用于将rs485通信模块获取的数据上传至远程无线通信模块，或者将远程无线通信模块下发的数据转发给rs485通信模块；远程无线通信模块用于将数据通过无线通信的方式上传给主站，或者接收主站以无线通信的方式下发的指令。

所述的电源模块包括ac220v/dc5v转换电路、5v/4v转换电路、掉电检测电路和备用电源电路；ac220v/dc5v转换电路和5v/4v转换电路串接；ac220v/dc5v转换电路、掉电检测电路和备用电源电路串接；ac220v/dc5v转换电路用于将外部提供的220v交流电能转换为5v直流电能；5v/4v转换电路用于将5v直流电能转换为4v直流电能并为所述新型无线通信采集模块供电；掉电检测电路用于检测外部提供的220v交流电能的供电状态，并在外部供电掉电时输出判断信号给备用电源电路；备用电源电路用于在外部220v交流电能断电时提供辅助供电电能。

所述的ac220v/dc5v转换电路为由型号为8236t的电源芯片构成的转换电路。

所述的5v/4v转换电路为由型号为tps7a7001的稳压器芯片构成的电路。

所述的掉电检测电路为由型号为r3111h421的电源管理芯片构成的电路。

所述的备用电源电路为由型号为tps61021a的电源芯片和超级电容构成的电路。

所述的远程无线通信模块为由型号为n720的4g通信模组构成的无线通信模块。

所述的rs485通信模块为由型号为azrs485的485通信芯片构成的电路。

所述的控制器模块包括控制器芯片、时钟电路、指示灯电路和看门狗电路；时钟电路、指示灯电路和看门狗电路均与控制器芯片连接；时钟电路用于给控制器芯片提供时钟信号；指示灯电路用于指示控制器模块的工作状态；看门狗电路用于在控制器芯片工作异常时发出复位信号对控制器芯片进行复位。

所述的时钟电路为由型号为8025t的时钟芯片构成的电路。

所述的看门狗电路为由型号为sn74hc4060dr的计数器芯片构成的电路。

本发明还公开了一种所述新型无线通信采集模块的无线通信采集方法，包括人如下步骤：

s1.新型无线通信采集模块上电初始化，并开始工作；

s2.新型无线通信采集模块通过远程无线通信模块获取主站的电能表数据抄读指令；

s3.新型无线通信采集模块将主站下发的数据抄读指令通过rs485通信模块下发给挂接在总线上的智能电能表；

s4.智能电能表接收到数据抄读指令后，将各自的数据通过rs485总线上传给新型无线通信采集模块；

s5.新型无线通信采集模块将接收的智能电能表数据再通过远程无线通信模块上传给主站。

本发明提供的这种新型无线通信采集模块及其无线通信采集方法，具有同时抄读多块电能表数据的功能，且数据之间传送到主站；电能表直接通过rs485通讯直接与4g无线通信采集模块交互，4g无线通信采集模块将表数据上传到主站，或者将主站指令下发到各个电能表；因此本发明能够将智能电能表与主站之间进行快速可靠的连接，并且优化了系统结构，而且成本低廉，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的模块的功能模块图。

图2为本发明的ac220v/dc5v转换电路的电路原理示意图。

图3为本发明的5v/4v转换电路的电路原理示意图。

图4为本发明的掉电检测电路的电路原理示意图。

图5为本发明的备用电源电路的电路原理示意图。

图6为本发明的rs485通信模块的电路原理示意图。

图7为本发明的时钟电路的电路原理示意图。

图8为本发明的看门狗电路的电路原理示意图。

图9为本发明的无线通信采集方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的模块的功能模块图：本发明提供的这种新型无线通信采集模块，包括电源模块、控制器模块、rs485通信模块、远程无线通信模块和天线模块；rs485通信模块和远程无线通信模块均与控制器模块连接；天线模块与远程无线通信模块连接；电源模块用于给所述新型无线通信采集模块供电；rs485通信模块用于与外部的若干电能表进行rs485总线通信并进行数据交互；控制器模块用于将rs485通信模块获取的数据上传至远程无线通信模块，或者将远程无线通信模块下发的数据转发给rs485通信模块；远程无线通信模块用于将数据通过无线通信的方式上传给主站，或者接收主站以无线通信的方式下发的指令。

在具体实施时，电源模块包括ac220v/dc5v转换电路、5v/4v转换电路、掉电检测电路和备用电源电路；ac220v/dc5v转换电路和5v/4v转换电路串接；ac220v/dc5v转换电路、掉电检测电路和备用电源电路串接；ac220v/dc5v转换电路用于将外部提供的220v交流电能转换为5v直流电能；5v/4v转换电路用于将5v直流电能转换为4v直流电能并为所述新型无线通信采集模块供电；掉电检测电路用于检测外部提供的220v交流电能的供电状态，并在外部供电掉电时输出判断信号给备用电源电路；备用电源电路用于在外部220v交流电能断电时提供辅助供电电能。控制器模块包括控制器芯片、时钟电路、指示灯电路和看门狗电路；时钟电路、指示灯电路和看门狗电路均与控制器芯片连接；时钟电路用于给控制器芯片提供时钟信号；指示灯电路用于指示控制器模块的工作状态；看门狗电路用于在控制器芯片工作异常时发出复位信号对控制器芯片进行复位。

如图2所示为本发明的ac220v/dc5v转换电路的电路原理示意图：ac220v/dc5v转换电路为由型号为8236t的电源芯片(u1)构成的转换电路；外部的220v交流电能通过j1和j2接口接入电路，然后通过保护电阻rv1进行过压保护后，再通过保险rt1进行保护，然后通过x电容cx1和电感l1进行滤波后，通过整流桥d1整流为直流电能，然后再通过电容c2、c3和c20进行滤波，然后接入变压器t1的第一原边线圈的5脚；同时第一原边线圈的3脚则直接连接电源芯片u1的7脚和8脚，同时还通过电容c4接地滤波；芯片的1脚通过下拉电阻r5和r6接地；芯片的2脚直接接地，芯片的3脚通过滤波电容c5接地，同时也通过采样电阻r3连接变压器的第二原边线圈的2脚，同时4脚作为输出电压反馈引脚用于输出电压的闭环反馈；芯片的5脚悬空；芯片的7脚和8脚短接，并作为pwm信号输出引脚直接连接变压器的第一原边线圈的3脚；u1芯片通过7脚和8脚的pwm信号控制变压器第一原边线圈的导通和关断，从而将电能传输到变压器的副边；变压器的副边线圈的9脚为输出的电源正极，10脚为输出的公共端(地端)；副边线圈的9脚通过二极管d4进行单向保护，然后通过电容c7和c8进行滤波，再通过电感l2滤波，然后再通过一系列电容(c9～c12)进行滤波后，输出最终的5v信号(v5p0)；同时，在经过电容c7和c8滤波后，将信号进行采样；采样电路包括电阻r8～r13以及电容c14和c15；同时采样信号还通过光耦u2进行隔离；该路采样信号用于对输出电压的反馈采样，并将该采样信号输入到电源芯片u1的4脚。

如图3所示为本发明的5v/4v转换电路的电路原理示意图：5v/4v转换电路为由型号为tps7a7001的稳压器芯片构成的电路；芯片的1脚悬空，2脚为使能引脚，其连接控制信号v4p0-ctrl信号，该信号为看门狗复位信号，用于在控制器工作异常时将控制器的电源信号复位从而重启控制器；芯片的3脚为电源输入引脚，并连接5v电源信号，同时该引脚也通过电容c343接地滤波；芯片的4脚和5脚直接悬空；芯片的8脚和9脚均直接接地；芯片的6脚为输出引脚，其输出4v电源信号，通过二极管v86进行单向保护后，再通过一系列电容(c342、c345、c344和、c346)进行滤波后，输出4v电源信号v4p0；同时，输出的电源信号还通过齐纳二极管v60进行电压箝位，同时也通过电阻r432和r431进行输出电压采样后，反馈到稳压器芯片的7脚，从而采用闭环控制的方式输出稳定的电压信号。

如图4所示为本发明的掉电检测电路的电路原理示意图：掉电检测电路为由型号为r3111h421的电源管理芯片构成的电路；芯片的2脚为输入引脚，其通过二极管v14连接电源信号v1p8，同时也通过二极管v13连接电源信号v5p0，还通过滤波电路(r51和c32)接地滤波；芯片的3脚直接接地；芯片的1脚则为信号输出引脚，其直接输出掉电检测信号alarm-pd，同时也通过上拉电阻r50连接电源信号v1p8，也通过电容c33接地滤波；当5v电源信号(v5p0)掉到4.2v时，h421芯片输出低电平告警，这个告警将触发超级电容备电电路，开启备用电源。

如图5所示为本发明的备用电源电路的电路原理示意图：备用电源电路为由型号为tps61021a的电源芯片和超级电容构成的电路；v5p0作为5v电源电路，通过电阻r56、r57、r429和r54限流后，再通过三极管v20给超级电容c36充电；同时，齐纳二极管u4用于限制超级电容的充电电压；由于三极管v20的基级电压为u4的齐纳电压，因此三极管v20一直导通，而且超级电容c36的充电电压一直被钳制为u4的齐纳电压；同时，超级电容的输出端直接连接电源芯片tps61021a的8脚(电源输入引脚)；电源芯片u3的1脚直接接地，5脚为使能端并通过电阻r58上拉至高电平(连接超级电容的输出端)；芯片的6脚和7脚则通过电感l1连接高电平信号；芯片的9脚直接接地；芯片的3脚和4脚则作为输出引脚输出稳定的4v信号；同时还输出信号还通过电阻采样电路r52、r53和r59进行输出电压采样，并将采样信号反馈回芯片的2脚(反馈端)，同时电容c34和c35进行滤波；电源芯片的输出端连接开关管v19(采用mos管)的活动端(2脚)，开关管的3脚则为最终的4v输出信号端；开关管的1脚则为控制端；掉电检测信号alarm-pd连接三极管v22的基级，三极管v22的发射极通过上拉电阻r63连接电源芯片的输出端，集电极则通过电阻r63接地同时也连接三极管v21的基级，v21的发射极接地，集电极连接开关管v19的控制端，同时也通过下拉电阻r60接高电平；当掉电检测信号alarm-pd为高电平时，v22导通，此时v21的基级接地，v21断开，此时开关管v19的控制端通过电阻r60被拉高至高电平，此时开关管v19截止；当alarm-pd信号为低电平时，v22断开，v21的基级被电阻r63拉高至高电平，此时v21导通，开关管v19的控制端被短接至低电平；此时开关管v19导通，电源芯片输出的4v信号对外供电。

如图6所示为本发明的rs485通信模块的电路原理示意图：rs485通信模块为由型号为azrs485的485通信芯片构成的电路；通信芯片的1脚为rxd引脚，其通过上拉电阻r421连接电源正极v5p0，同时也通过一路开关管电路(电阻r41和r42，开关管v7)连接控制器模块的rxd1信号；芯片的2脚和3脚则直接通过上拉电阻r43连接v5p0信号并被拉高至高电平；同时也连接开关管v10的动作端一端，v10的动作端另一端直接连接控制器模块输出的控制信号re/de，同时开关管的控制端连接v1p8信号；通信芯片的4脚为txd引脚，其通过上拉电阻r47连接电源正极并被拉高至高电平，同时也连接开关管v12的动作端一端，v12的动作端另一端连接控制器模块的txd1引脚，同时开关管v12的控制端则连接电源信号v1p8；通信芯片的8脚直接连接电源正极并取电，5脚直接接地；芯片的6脚和7脚则为最终的rs485通信引脚并输出485a和485b信号，同时485b信号通过下拉电阻r44接地，也通过二极管v8进行过压保护，485a引脚则通过上拉电阻r46连接电源正极，同时也通过v11进行过压保护，同时485a和485b通信引脚之间还通过保护二极管v9进行保护，同时485a还连接有保险进行过流保护。

如图7所示为本发明的时钟电路的电路原理示意图：时钟电路为由型号为8025t的时钟芯片构成的电路；时钟电路用于给控制器模块提供同步时钟源，采用8025t时钟芯片实现；rx-8025t芯片的6脚直接连接电源信号，同时11脚直接接地，芯片的12脚和13脚为输出的时钟信号，并通过电平转换芯片lsr0204进行电平转换后，再输入到控制器模块和远程通信模块的时钟信号引脚。

如图8所示为本发明的看门狗电路的电路原理示意图：看门狗电路主要用于当微控制器发生死机或其他异常后，自动控制控制器芯片和远程通信芯片的4v电源的掉电和上电，通过硬件方式对其进行上电复位操作。看门狗电路核心元器件由一个计数器组成，计数器型号为ti公司的sn74hc4060dr，正常工作时，微控制器不断为看门狗电路喂狗(输出wdt信号)，不断给74hc4060计数清零，当微控制器发生死机或其他异常而不在给看门狗电路喂狗时，74hc4060计数器会溢出计满，通过这种方式达到n7204v电源系统掉电和上电，达到让n720上电复位恢复正常工作的目的。

如图9所示为本发明的无线通信采集方法的方法流程示意图：本发明提供的这种所述新型无线通信采集模块的无线通信采集方法，包括人如下步骤：

s1.新型无线通信采集模块上电初始化，并开始工作；

s2.新型无线通信采集模块通过远程无线通信模块获取主站的电能表数据抄读指令；

s3.新型无线通信采集模块将主站下发的数据抄读指令通过rs485通信模块下发给挂接在总线上的智能电能表；

s4.智能电能表接收到数据抄读指令后，将各自的数据通过rs485总线上传给新型无线通信采集模块；

s5.新型无线通信采集模块将接收的智能电能表数据再通过远程无线通信模块上传给主站。