一种基于低功耗载波通信方式的sts分体式电能表的制作方法
【专利摘要】一种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，它包括集中器、主表和户内单元；通过两个电容C2和C3使主表载波信号耦合到继电器输入输出端联通集中器和户内单元；户内单元载波模块为主模块，主表载波模块为从模块。主表欠费拉闸后由户内单元电源管理模块切换到电池供电，并提供载波通讯需要的12V电源。户内单元硬件由低静态漏电流部件构成，结合互锁自切换/分时分区供电技术以延长电池寿命，市电掉电后系统能在无缝切换到备用电池供电；另外，模块在发送数据时，会根据各通道的接收信号强度、信噪比和误码率，动态地调整发送功率和所选用通道，使得在保证数据可靠传输的情况下最大限度地降低发送功率。
【专利说明】一种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表
【技术领域】
[0001]本发明属于智能电网通信领域，尤其是一种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表。
【背景技术】
[0002]目前，STS代码表:代码式预付费电能表(Key-pad Prepayment Energy Meter),是一种采用虚拟介质-代码-进行信息交换的电能表。代码是指一组数字Token，如28375872373168543423。通过付费系统，生成一组唯一的代码(Token)，用户再将此代码(Token)通过电能表键盘(Key-pad)输入到电能表(Meter)中，电能表根据协议在表内进行解码，最后完成购电或充值，由于符合STS规范的代码式预付费电能表有统一的标准，并且经过STS的测试认证，以及使用了标准化的安全模块加密算法，从而使所有符合STS规范的代码式预付费生产厂家的电表和付费系统得以相互兼容。分体式电能表是区分于传统一体式电能表，具有独立显示单元的电能表。电能表分为两个部分:主表和户内单元，两部分之间通过远程通讯接口实现数据的交换。主表负责计量、数据处理、保存以及用电控制，而户内单元主要负责主表数据的显示，人机交互，同时也可作为主表与外界数据交换的接口。分体式电能表在预付费电能表系统中的应用，大大增强了预付费电能表的抗攻击性能。采用分体式预付费电能表，主表可以安装在电线杆或者计量箱等用户较难接触到的位置，增加用户对电能表本体进行攻击的难度，从而降低用户对电能表的接线进行篡改或者对电能表薄弱部分进行攻击的可能性，增强主表的安全性。在窃电情况日益严重的今天，分体式电能表是一种简单有效的防窃电手段。
[0003]目前集中器载波模块是接在火线/零线进(继电器输入端)来对主表进行抄表，户内单元载波模块是接在火线进(继电器输入端)与主表通信。这样不管继电器通断户内单元一直有电，有窃电隐患，且需单独布线。另外一种是集中器载波模块是接在火线/零线进(继电器输入端)来对主表进行抄表，户内单元载波模块是接在火线出(继电器输出端)与主表通信。当欠费拉闸后户内单元使用电池供电通过载波与主表进行数据通信，这种方案中缺少高效的电源管理和动态调整载波发射功率功能，存在静态漏电流大、动态功耗大、电池寿命短更换频繁等不足。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]—种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，它包括集中器、主表和户内单元;
[0007]集中器包括主控制器一和与之连接的外设模块一、载波模块一，所述的载波模块一的两端分别接火线进线端和零线进线端，所述的载波模块一与火线进线端之间接入耦合电容Cl，所述的火线进线端即主表的继电器输入端，集中器通过耦合电容Cl接火线进线端来对主表进行抄表；
[0008]主表包括主控制器二和与之连接的计量模块、外设模块二、载波模块二，所述的载波模块二的两端分别串接载波电容C2、C3后接在继电器的两端，该继电器的两端分别接火线进线端和火线出线端，对家用电器的用电量进线计量，该家用电器的两端分别接火线和零线的出线端；
[0009]户内单元包括主控制器三和与之连接的外设模块三、载波模块三，所述的载波模块三的两端分别接火线出线端和零线出线端，所述的载波模块三与火线出线端之间接入耦合电容C4，所述的火线出线端即主表的继电器输出端，载波模块三通过耦合电容C4接火线输出端与主表通信，进行购电和电量查询。
[0010]本发明的耦合电容Cl为220nF，耦合电容C2为220nF，耦合电容C3为100nF，耦合电容C4为100nF。
[0011]本发明的户内单元中，外设模块三包括键盘、电源管理模块、电池、背光电路、IXD显示器、蜂鸣器和存储模块；
[0012]所述的键盘为供用户使用的输入设备，其信号输出端与主控制器三的对应信号输入端相连；
[0013]所述的电源管理模块的输入端作为电信号采集端接电能表的火线、零线出线端，电源管理模块的输出端接主控制器三的对应信号输入端；
[0014]所述的电池提供备用电源；
[0015]所述的主控制器三与存储模块双向连接，主控制器三的各信号输出端分别连接背光电路、IXD显示器和蜂鸣器的对应信号输入端。
[0016]本发明的载波模块三采用BL6810，能够通过四个频点131.58k/263.16k/312.5k/416.67kHz BPSK方式与主表进行数据通信，电池供电时，载波模块三接收到主控制器三的低功耗请求，根据当前链路上的信噪比来选择以信噪比最高的频点作为最优频点收发数据。
[0017]本发明的户内单元中，载波模块三采用动态功耗调节方法，包括载波数据接收部分和载波数据发送部分，其中；
[0018]载波数据接收部分包括以下步骤:
[0019](I)、载波模块三通过耦合电容C4接火线输出端与主表通信，获取当前接收数据时所使用的频点、各频点的有效信号的接收功率、噪声信号的接收功率、误码率，以及有效信号的电压增益(指载波芯片BL6810自动增益控制器的增益值，通过芯片寄存器直接读取)；
[0020](2)、载波模块三根据各频点的有效信号的接收功率和噪声信号的接收功率，通过如下公式计算得出各频点的接收信号强度和信噪比，并记录；接收信号强度=有效信号的接收功率/16X0.1953/e?.辟气mV信噪比=10Xlog1Q(有效信号的接收功率/噪声信号的接收功率/2)，dB。
[0021]本发明的户内单元中，载波模块三采用动态功耗调节方法，包括载波数据接收部分和载波数据发送部分，其中；
[0022]载波数据发送部分包括以下步骤:
[0023](I)、在主控制器中预设载波模块三的四个频点的误码率、接收信号强度和信噪比的最高阈值和最低阈值；
[0024](2)、载波模块三查询四个频点的误码率:如果存在误码率小于最低阈值的频点，则获取对应频点，转步骤(3)，如果不存在误码率小于最低阈值的频点，
[0025]则进一步判断是否存在误码率小于最高阈值且大于最低阈值的频点，如果存在，则获取对应频点，转步骤(4)，如果不存在；
[0026]则获取四个频点中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并增加发送功率进行数据发送；
[0027](3)、载波模块三对误码率小于最低阈值的各频点，查询对应频点的接收信号强度和信噪比；如果存在接收信号强度和信噪比均大于其对应的最高阈值的频点，则获取其中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并降低当前发送功率进行数据发送；
[0028]如果不存在接收信号强度和信噪比均大于其对应的最高阈值的频点，则直接获取其中发送功率最低的频点作为最优频点，并保持当前发送功率进行数据发送；
[0029](4)、载波模块三对误码率在最低阈值和最高阈值之间的频点，获取其中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并保持当前发送功率进行数据发送。
[0030]本发明的电源管理模块采用降低静态功耗的方法:当欠费时主表继电器断开，电源管理模块切换到电池供电，若30s没有键盘操作则LED显示器关闭所有外设进入休眠状态，降低静态功耗。
[0031]本发明的电源管理模块包括变压器、低压差线性稳压器、电池电压检测电路、升压电路和市电检测电路，变压器作为电源管理模块的一信号输入端接市电的火线和零点，变压器的另一端接市电检测电路的信号输入端，市电检测电路的信号输出端接主控制器三，电池电压检测电路作为电源管理模块的另一信号输入端接电池，电池电压检测电路的信号输出端接主控制器三的对应信号输入端，电池通过升压电路升压后为各模块供电。
[0032]本发明的有益效果:
[0033]本发明的市电和电池切换时间快；电池模式下系统功耗8uA，只有需要载波发送数据时才打开升压电路，大大降低系统功耗，提高电池使用寿命。
[0034]本发明通过两个电容C2和C3使主表载波信号耦合到继电器输入输出端联通集中器和户内单元；户内单元载波模块为主模块，主表载波模块为从模块。主表欠费拉闸后由户内单元电源管理模块切换到电池供电，并提供载波通讯需要的12V电源。户内单元硬件由低静态漏电流部件构成，结合互锁自切换/分时分区供电技术以延长电池寿命，市电掉电后系统能在无缝切换到备用电池供电，微处理器由全速运行切换为智能调节能耗模式，按时按需给载波供电；同时，用户无操作30S后进入休眠，仅在从户内单元微处理器接收到用户操作数据时才被唤醒；另外，模块在发送数据时，会根据各通道的接收信号强度、信噪比和误码率，动态地调整发送功率和所选用通道，使得在保证数据可靠传输的情况下最大限度地降低发送功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本发明的原理框图。
[0036]图2是本发明的户内单元的原理框图。
[0037]图3是本发明的电源管理模块的原理框图。
[0038]图4是本发明的电源管理模块的电路图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0040]如图1所示，一种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，它包括集中器、主表和户内单元；
[0041]集中器包括主控制器一和与之连接的外设模块一、载波模块一，所述的载波模块一的两端分别接火线进线端和零线进线端，所述的载波模块一与火线进线端之间接入耦合电容Cl，所述的火线进线端即主表的继电器输入端，集中器通过耦合电容Cl接火线进线端来对主表进行抄表；
[0042]主表包括主控制器二和与之连接的计量模块、外设模块二、载波模块二，所述的载波模块二的两端分别串接载波电容C2、C3后接在继电器的两端，该继电器的两端分别接火线进线端和火线出线端，对家用电器的用电量进线计量，该家用电器的两端分别接火线和零线的出线端；
[0043]户内单元包括主控制器三和与之连接的外设模块三、载波模块三，所述的载波模块三的两端分别接火线出线端和零线出线端，所述的载波模块三与火线出线端之间接入耦合电容C4，所述的火线出线端即主表的继电器输出端，载波模块三通过耦合电容C4接火线输出端与主表通信，进行购电和电量查询；
[0044]主表载波模块通过C2和C3电容耦合到继电器输入输出端，集中器通过C2抄主表，显示单元通过C3与主表通信，进行购电、电量查询等操作。
[0045]本发明的耦合电容Cl为220nF，耦合电容C2为220nF，耦合电容C3为100nF，耦合电容C4为100nF。
[0046]如图2所示，本发明的户内单元中，外设模块三包括键盘、电源管理模块、电池、背光电路、IXD显示器、蜂鸣器和存储模块；
[0047]所述的键盘为供用户使用的输入设备，其信号输出端与主控制器三的对应信号输入端相连；键盘为3*4矩阵扫描键盘，包括数字O?9，退格键、回车键、长按数字键I?61秒可对应输入A?F。不同的功能需要输入功能码，查询电量为键盘输入37+回车键，输入TOKEN码为55+20位TOKEN码+回车键；
[0048]所述的电源管理模块的输入端作为电信号采集端接电能表的火线、零线出线端，电源管理模块的输出端接主控制器三的对应信号输入端；
[0049]所述的电池提供备用电源；电池采用4节7号电池提供6V电源。电池升压电路采用MP3215 DC/DC芯片升压到12V2，转换效率90% ;220V通过变压器产生12V1。背光蜂鸣器等高功耗器件由12V1供电。
[0050]所述的主控制器三与存储模块双向连接，主控制器三的各信号输出端分别连接背光电路、IXD显示器和蜂鸣器的对应信号输入端。
[0051]LCD字符区选用米字形单元格可显示8位英文字符，如当前总电量、电压、电流、剩余电量，非字符区可显示拉合闸信息、窃电信息、载波收发状态、电池状态。
[0052]本发明的载波模块三采用BL6810，能够通过四个频点131.58k/263.16k/312.5k/416.67kHz BPSK方式与主表进行数据通信，电池供电时，载波模块三接收到主控制器三的低功耗请求，根据当前链路上的信噪比来选择以信噪比最高的频点作为最优频点收发数据。
[0053]本发明的户内单元中，载波模块三采用动态功耗调节方法，包括载波数据接收部分和载波数据发送部分，其中；
[0054]载波数据接收部分包括以下步骤:
[0055](I)、载波模块三通过耦合电容C4接火线输出端与主表通信，获取当前接收数据时所使用的频点、各频点的有效信号的接收功率、噪声信号的接收功率、误码率，以及有效信号的电压增益(指载波芯片BL6810自动增益控制器的增益值，通过芯片寄存器直接读取)；
[0056](2)、载波模块三根据各频点的有效信号的接收功率和噪声信号的接收功率，通过如下公式计算得出各频点的接收信号强度和信噪比，并记录；接收信号强度=有效信号的接收功率/16X0.1953/e?.辟气mV信噪比=10Xlog1Q(有效信号的接收功率/噪声信号的接收功率/2)，dB。
[0057]本发明的户内单元中，载波模块三采用动态功耗调节方法，包括载波数据接收部分和载波数据发送部分，其中；
[0058]载波数据发送部分包括以下步骤:
[0059](I)、在主控制器中预设载波模块三的四个频点的误码率、接收信号强度和信噪比的最高阈值和最低阈值(四个频点的误码率阈值均为:最低阈值0.0125、最高阈值0.0625 ；接收信号强度阈值均为:最低阈值40、最高阈值70 ;信噪比阈值均为:最低阈值5、最高阈值 20)；
[0060](2)、载波模块三查询四个频点的误码率:如果存在误码率小于最低阈值的频点，则获取对应频点，转步骤(3)，如果不存在误码率小于最低阈值的频点，
[0061]则进一步判断是否存在误码率小于最高阈值且大于最低阈值的频点，如果存在，则获取对应频点，转步骤(4)，如果不存在；
[0062]则获取四个频点中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并增加发送功率进行数据发送；(每个频点是独立的，各频点的当前发送功率是上次发送数据时采用的功率值，范围0-128，第一次发送时为102 (即最大值*80% )，之后根据文中描述的逻辑关系步进增加或减少)
[0063](3)、载波模块三对误码率小于最低阈值的各频点，查询对应频点的接收信号强度和信噪比；如果存在接收信号强度和信噪比均大于其对应的最高阈值的频点，则获取其中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并降低当前发送功率进行数据发送；
[0064]如果不存在接收信号强度和信噪比均大于其对应的最高阈值的频点，则直接获取其中发送功率最低的频点作为最优频点，并保持当前发送功率进行数据发送；
[0065](4)、载波模块三对误码率在最低阈值和最高阈值之间的频点，获取其中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并保持当前发送功率进行数据发送。
[0066]载波模块三采用的动态功耗调节方法使用时:若用户操作键盘，系统由休眠转为正常工作状态，打开载波模块电源，载波模块自适应四种载波频率131.58k/263.16k/312.5k/416.67kHz，以及自适应三种通信数据速率5.48kbps/365bps/87bps，并且载波发送功率线性可调，模块在发送数据时，会根据各通道的接收信号强度、信噪比和误码率，通过实时多通道评估算法，按照通信误码率、信噪比、接收信号强度优先级由高到低的顺序，首先根据实际环境测试得出的最低和最高阈值，筛选出通信可靠的通道，关闭误码率较高的通道，然后，查看其信噪比和接收信号强度，在满足模块接收灵敏度的前提下，再适度降低其当前发送功率，该多级智能低功耗模式在保证户内单元基本功能的同时，提高电池使用效率。
[0067]如图3、4所示，本发明的电源管理模块采用降低静态功耗的方法:当欠费时主表继电器断开，电源管理模块切换到电池供电，若30s没有键盘操作则LED显示器关闭所有外设进入休眠状态，降低静态功耗。
[0068]本发明的电源管理模块包括变压器、低压差线性稳压器、电池电压检测电路、升压电路和市电检测电路，变压器作为电源管理模块的一信号输入端接市电的火线和零点，变压器的另一端接市电检测电路的信号输入端，市电检测电路的信号输出端接主控制器三，电池电压检测电路作为电源管理模块的另一信号输入端接电池，电池电压检测电路的信号输出端接主控制器三的对应信号输入端，电池通过升压电路升压后为各模块供电。户内单元检测电池电压，低于4V报警，报警方法在IXD显示和蜂鸣器响。
[0069]电源管理模块采用互锁自切换/分时分区供电技术，当有市电时，通过变压器转换后的12V1通过二极管Dl使D2反向截止关闭电池供电，系统由市电供电。当市电掉电后12V1?4为零，Dl导通，D2截止，系统由电池供电。同时市电检测电路提供给MCU检测信号VIN_INT为“1”，MCU收到该信号同步进入低功耗模式，当有按键操作且需要发送时MCU输出高有效信号3215_ON/OFF打开MP3215 BOOST电路，产生12V5给载波供电，以实现载波通讯。低漏电流LDO TLV70450产生5V给MCU+键盘+存储+IXD使用5V供电；
[0070]当12V1掉电后DlP反向稳压7.5V，三极管QlP导通VIN_INT由OV变为5V，产生掉电信号，该信号发给MCU，MCU收到VIN_INT信号后由全速模式切换到低速休眠模式，同时将3215_0N/0FF信号置为低电平关闭只在按键有按下动作时切换回全速模式。以降低功耗，提高电池效率。会打开三极管Q3P管脚2使其导通管脚I为低电平，MOS管管脚3与管脚2产生6V压降，管脚3与管脚I导通，电池给MP3215提供电压产生12V5。
[0071]本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是它包括集中器、主表和户内单元； 集中器包括主控制器一和与之连接的外设模块一、载波模块一，所述的载波模块一的两端分别接火线进线端和零线进线端，所述的载波模块一与火线进线端之间接入耦合电容Cl，所述的火线进线端即主表的继电器输入端，集中器通过耦合电容Cl接火线进线端来对主表进行抄表； 主表包括主控制器二和与之连接的计量模块、外设模块二、载波模块二，所述的载波模块二的两端分别串接载波电容C2、C3后接在继电器的两端，该继电器的两端分别接火线进线端和火线出线端，对家用电器的用电量进线计量，该家用电器的两端分别接火线和零线的出线端； 户内单元包括主控制器三和与之连接的外设模块三、载波模块三，所述的载波模块三的两端分别接火线出线端和零线出线端，所述的载波模块三与火线出线端之间接入耦合电容C4，所述的火线出线端即主表的继电器输出端，载波模块三通过耦合电容C4接火线输出端与主表通信，进行购电和电量查询。
2.根据权利要求1所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是所述的耦合电容Cl为220nF，耦合电容C2为220nF，耦合电容C3为lOOnF，耦合电容C4为10nF0
3.根据权利要求1所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是所述的户内单元中，外设模块三包括键盘、电源管理模块、电池、背光电路、IXD显示器、蜂鸣器和存储模块； 所述的键盘为供用户使用的输入设备，其信号输出端与主控制器三的对应信号输入端相连； 所述的电源管理模块的输入端作为电信号采集端接电能表的火线、零线出线端，电源管理模块的输出端接主控制器三的对应信号输入端； 所述的电池提供备用电源； 所述的主控制器三与存储模块双向连接，主控制器三的各信号输出端分别连接背光电路、IXD显示器和蜂鸣器的对应信号输入端。
4.根据权利要求1所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是所述的载波模块三能够通过四个频点以BPSK方式与主表进行数据通信，电池供电时，载波模块三接收到主控制器三的低功耗请求，根据当前链路上的信噪比来选择以信噪比最高的频点作为最优频点收发数据。
5.根据权利要求4所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是户内单元中，载波模块三采用动态功耗调节方法，包括载波数据接收部分和载波数据发送部分，其中; 载波数据接收部分包括以下步骤: (1)、载波模块三通过耦合电容C4接火线输出端与主表通信，获取当前接收数据时所使用的频点、各频点的有效信号的接收功率、噪声信号的接收功率、误码率，以及有效信号的电压增益； (2)、载波模块三根据各频点的有效信号的接收功率和噪声信号的接收功率，通过如下公式计算得出各频点的接收信号强度和信噪比，并记录； 接收信号强度=有效信号的接收功率/16X0.1953/e0.mV信噪比=1X 1gltl (有效信号的接收功率/噪声信号的接收功率/2)，dB。
6.根据权利要求4所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是户内单元中，载波模块三采用动态功耗调节方法，包括载波数据接收部分和载波数据发送部分，其中; 载波数据发送部分包括以下步骤: (1)、在主控制器中预设载波模块三的四个频点的误码率、接收信号强度和信噪比的最高阈值和最低阈值； (2)、载波模块三查询四个频点的误码率:如果存在误码率小于最低阈值的频点，则获取对应频点，转步骤(3)，如果不存在误码率小于最低阈值的频点， 则进一步判断是否存在误码率小于最高阈值且大于最低阈值的频点，如果存在，则获取对应频点，转步骤(4)，如果不存在； 则获取四个频点中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并增加发送功率进行数据发送； (3)、载波模块三对误码率小于最低阈值的各频点，查询对应频点的接收信号强度和信噪比；如果存在接收信号强度和信噪比均大于其对应的最高阈值的频点，则获取其中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并降低当前发送功率进行数据发送； 如果不存在接收信号强度和信噪比均大于其对应的最高阈值的频点，则直接获取其中发送功率最低的频点作为最优频点，并保持当前发送功率进行数据发送； (4)、载波模块三对误码率在最低阈值和最高阈值之间的频点，获取其中当前发送功率最低的频点作为最优频点，并保持当前发送功率进行数据发送。
7.根据权利要求3所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是所述的电源管理模块采用降低静态功耗的方法:当欠费时主表继电器断开，电源管理模块切换到电池供电，若30s没有键盘操作则LED显示器关闭所有外设进入休眠状态，降低静态功耗。
8.根据权利要求7所述的基于低功耗载波通信方式的STS分体式电能表，其特征是电源管理模块包括变压器、低压差线性稳压器、电池电压检测电路、升压电路和市电检测电路，变压器作为电源管理模块的一信号输入端接市电的火线和零点，变压器的另一端接市电检测电路的信号输入端，市电检测电路的信号输出端接主控制器三，电池电压检测电路作为电源管理模块的另一信号输入端接电池，电池电压检测电路的信号输出端接主控制器三的对应信号输入端，电池通过升压电路升压后为各模块供电。
【文档编号】H04B3/54GK104464103SQ201410755395
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】张祥甫, 魏华义, 杨金土, 包海泉 申请人:江苏林洋电子股份有限公司