一种基于5G转WIFI通信技术的电能表的制作方法

一种基于5g转wifi通信技术的电能表
技术领域
1.本发明属于智能用电技术领域，具体是一种基于5g转wifi通信技术的电能表。


背景技术：

2.第五代移动通信(5g)已成为全球通信发展热点，提供10gbps以上的带宽、ms级时延；wifi技术已发展到wifi6，支持mesh组网，提供9.6gbps以上的带宽，20ms的时延。
3.随着工业技术和互联网技术飞速发展，用户对电能表的期望已经超越法制计量的需要，电表定位于延伸至家庭用户的“数字化基础设施”。充分利用电表入户的关口位置，集用家庭智慧物联、边缘计算、数据通信共享功能于一体。既是家庭物联网的接入中心，也是家庭服务的计算中心，更是家庭互联网数据接入的唯一通道。为将来家庭用户高数据流量需求、大规模机器类通信、高可靠低延时通信提供平台支撑，如高清摄像、智能机器人、vr/ar/mr、智慧医疗、家庭云电脑等场景。
4.当前电能表上行通道主要是窄带载波、hplc和无线公网，下行通道主要是蓝牙、485、红外等受限于数据带宽和时延，无法承担上述“数字化基础设施作用”。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于5g转wifi通信技术的电能表，既包含计量功能，还支持实现“数字化基础设施”功能，使得电能表成为家庭物联网的接入中心，也是家庭服务的计算中心，更是家庭互联网数据接入的唯一通道。
6.本发明的技术方案：
7.一种基于5g转wifi通信技术的电能表，包括计量单元、管理单元、hplc上行模块、扩展模块以及外置负荷开关，
8.所述计量单元包括电源模块和计量mcu芯片，所述电源模块连接到市电的零线和火线用以给电能表供电，所述计量mcu芯片上设置有spi通信接口；
9.所述管理单元包括电源转换模块和管理mcu芯片，所述电源转换模块的输入端连接计量单元的电源模块，电源转换模块的输出端分别连接hplc上行模块和扩展模块并为其供电，所述管理mcu芯片上设置有与计量mcu芯片通信的spi通信接口，所述管理mcu芯片上还设置有与上行模块和扩展模块通信的uart通信接口；
10.所述hplc上行模块连接市电的零线和火线，用以进行宽带电力线载波通信；
11.所述扩展模块包括负荷识别模块和5g转wifi模块，所述负荷识别模块和5g转wifi模块通过计量mcu芯片上设置的spi通信接口与计量单元通信；
12.所述负荷识别模块和5g转wifi模块通过管理mcu芯片上设置uart通信接口与管理单元通信；
13.所述外置负荷开关连接到管理单元。
14.所述计量单元的电源模块与管理单元的电源转换模块之间设置有电源隔离装置。
15.所述计量单元的spi通信接口与管理单元的spi通信接口之间设置有容耦隔离装
置。
16.所述计量单元的spi通信接口与5g转wifi模块之间设置有容耦隔离装置。
17.所述计量mcu芯片上连接有电源检测单元用以对电源模块输入的电源进行检测，计量mcu芯片上连接有指示灯用以指示电表状态，计量mcu芯片上还连接有计量数据输入单元、存储器、实时时钟、可更换电池、储能器件、开盖检测单元和采样单元。
18.所述管理mcu芯片上连接有点阵液晶、eeprom与flash存储器、完成数据的加密与解密的esam芯片、储能器件、按键开关以及蓝牙模块，所述蓝牙模块用以实现管理单元与外置负荷开关的连接。
19.所述计量mcu芯片采用锐能微的soc芯片，管理mcu芯片采用cortex m4的arm芯片。
20.所述电源转换模块将15v电压转换为5v电压给5g转wifi模块和负荷识别模块供电。
21.所述扩展模块采用可插拔方式安装在管理单元上。
22.所述5g转wifi模块的5g部分采用展锐平台，wifi部分采用wifi6协议：使用qualcomm平台的qca2064wi-fi 6。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：5g转wifi模块的5g部分实现家庭连接互联网，wifi6部分实现家庭中用电设备的互联。家庭用电设备与外部互联网的交互，通过所述模块实现。这样网关功能与电表融合，无需单独购买网关设备减少了入户设备数量。可以通过配套带wifi功能的面板将非智能节点接入物量网，实现万物互联，并提供标准物联接口，支持不同厂家设备物联组网。并可以利用5g芯片的算力，其主频可以达到2.4g，利用内嵌的微操作系统，可以为家庭低时延、高带宽、本地存活、数据聚合等的家庭娱乐游戏、安全用电需求提供支撑。
附图说明
24.图1是本发明一种基于5g转wifi通信技术的电能表硬件方案设计框图。
25.图2是计量单元软件设计框架图。
26.图3是管理单元软件框架图。
27.图4是5g转wifi模块的逻辑框图。
28.图5是电源接口示意图。
29.图6是电源转换模块电路图。
30.图7是本发明电能表安装示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.请参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：
33.如图1所示，一种基于5g转wifi通信技术的电能表，包括计量单元1、管理单元2、hplc上行模块3、扩展模块4以及外置负荷开关6，
34.所述计量单元1包括电源模块和计量mcu芯片，所述电源模块连接到市电的零线和火线用以给电能表供电，所述计量mcu芯片上设置有spi通信接口；
35.所述管理单元2包括电源转换模块和管理mcu芯片，所述电源转换模块的输入端连接计量单元1的电源模块，电源转换模块的输出端分别连接hplc上行模块3和扩展模块4并为其供电，所述管理mcu芯片上设置有与计量mcu芯片通信的spi通信接口，所述管理mcu芯片上还设置有与上行模块3和扩展模块4通信的uart通信接口；
36.所述hplc上行模块3连接市电的零线和火线，用以进行宽带电力线载波通信；
37.所述扩展模块4包括负荷识别模块和5g转wifi模块5，所述负荷识别模块和5g转wifi模块5通过计量mcu芯片上设置的spi通信接口与计量单元1通信；
38.所述负荷识别模块和5g转wifi模块5通过管理mcu芯片上设置uart通信接口与管理单元2通信；
39.所述外置负荷开关6连接到管理单元2。
40.所述计量单元1的电源模块与管理单元2的电源转换模块之间设置有电源隔离装置。
41.所述计量单元1的spi通信接口与管理单元2的spi通信接口之间设置有容耦隔离装置。
42.所述计量单元1的spi通信接口与5g转wifi模块5之间设置有容耦隔离装置。
43.所述管理mcu芯片上连接有蓝牙模块，所述蓝牙模块用以实现管理单元2与外置负荷开关6的连接。
44.所述电源转换模块将15v电压转换为5v电压给5g转wifi模块5和负荷识别模块供电。
45.所述扩展模块4采用可插拔方式安装在管理单元2上。
46.此基于5g转wifi通信技术的电能表，包括具备两路总共30w电源输出能力的开关电源，给计量单元、管理单元、扩展单元提供稳定的电源。计量部分mcu采用锐能微的soc方案，在8000:1动态范围内，有功、无功、视在电能误差小于0.1％；采用soc芯片内置的rtc提供实时时钟、振荡器温度补偿、日历、闹钟、时钟脉冲输出等功能。采用flash芯片与铁电芯片实现计量相关数据的存储。计量单元和管理单元采用容藕隔离设计，通过高速隔离器件实现电气隔离及高速数据传输，从物理上保障了“计量部分”不受“非计量部分”的故障影响，详细说明如下：
47.a)管理单元与计量单元物理上通过容耦及光耦电气隔离，提高了计量单元独立工作的可靠性；
48.b)管理单元与计量单元电源隔离，电源反馈设计在计量单元电源侧，确保管理单元电源故障时不影响计量单元工作；
49.c)管理单元各模块电源接口设计过流保护，支持热插拔，确保上行模块及扩展模块故障时不影响计量单元工作；
50.d)实时时钟独立供电的备用电源及可更换时钟电池设计确保停电情况下时钟维持超过15年，且在时钟电池异常时可方便更换，进一步提高了时钟的稳定性及可靠性。
51.此基于5g转wifi通信技术的电能表的管理单元部分，使用cortex m4的arm芯片，主频稳定运行在100m,液晶采用点阵液晶，采用eeprom与flash实现数据的存储，并有esam
芯片完成数据的加密与解密。
52.此基于5g转wifi通信技术的电能表的扩展模块根据基于实现电表定位于延伸至家庭用户的“数字化基础设施”功能场合可以插装5g转wifi模块。
53.此基于5g转wifi通信技术的电能表的计量单元的软件部分如图2所示，采用模块化设计思想,根据功能，划分不同模块，主要由通信管理、时钟管理、电能计量、计量数据处理、故障自检、低功耗处理及事件记录7个模块，这7个模块处于整个程序的第一层，用于完成具体的功能；第二层有数据层和驱动程序组成，作为第一层的支撑，数据层是虚拟出来的提供各个模块之间数据传输的读写函数，而驱动则提供具体物理器件操作的基础；第三层为数据库，作为一个数据存储的容器，用于存储事件记录数据、电能数据、电压电流等电参量数据及时钟。各个功能模块不直接操作数据层，以保证数据存储的安全性。
54.此基于5g转wifi通信技术的电能表的管理单元的软件部分如图3所示，管理单元软件基于rt-thread,一个集实时操作系统(rtos)内核、中间件组件和开发者社区于一体的技术平台，具有极小内核、稳定可靠、简单易用、高度可伸缩、组件丰富,开源等特点，采用分层设计思想，将系统分整体架构分为驱动层、系统层、应用层，其中系统层就是将rt-thread裁剪后得到，完成任务调度等功能。应用层就是实现结算、费率、事件记录等功能。驱动层实现基本的外设驱动功能如eeprom、蓝牙等。
55.此基于5g转wifi通信技术的电能表的5g转wifi模块的示意如图4所示5g部分采用展锐平台，支持udx710 5g nr:n41/n78/n79/n1/n28/n77
56.lte fdd:b1/b2/b3/b5/b7/b8/b20/b28
57.lte tdd:b34/b38/b39/b40/b41
58.wcdma:b1/b5/b8
59.wifi部分采用wifi6协议：使用qualcomm平台的qca2064wi-fi 6支持wi-fi2.4ghz/5ghz,2x2 2x2 mimo，wlan standard:ieee 802.11a/b/g/n/ac/ax。
60.该模块的应用于电能表，必须解决电能表的电源供给与结构安装问题，电源采用5v 3a,其接口标识如图5中vcc，在基表上使用dc/dc方案将直流15v电压转变为直流5v电压，如图6所示。在结构设计上既要考虑模块装配基表后，不能改变基表的外形尺寸，模块的天线发射效果又要得到保证，本方案采用将其它模块的尺寸调整使得5g转wifi模块能水平覆盖其它模块的方式解决，其装配效果如图7所示。
61.应用5g转wifi模块后，基表内的电能相关数据、电压电流采样的周波数据可以分别通过uart口与spi口传输给该模块后及时上传，并可以利用5g芯片的计算能力开展非侵入式负荷识别分析，还可以使电能表成为“数字化基础设施”。
62.为了保障5g转wifi模块的可靠运行，基表既可以通过uart口发送复位命令给5g转wifi模块，也可以通过图5中定义的第7引脚直接复位5g转wifi模块。
63.所述基于5g转wifi6通信技术，具体就是将5g与wifi6相关的部分设计成一个模块，作为扩展单元，其与管理单元之间的接口采用uart口，uart实现与管理芯数据的交互，其与计量单元之间采用spi口，实现电压电流的周波数据从计量芯向5g转wifi6模块的传送。模块的5g部分实现家庭连接互联网，wifi6部分实现家庭中用电设备的互联。家庭用电设备与外部互联网的交互，通过所述模块实现。这样网关功能与电表融合，无需单独购买网关设备减少了入户设备数量。可以通过配套带wifi功能的面板将非智能节点接入物量网，
实现万物互联，并提供标准物联接口，支持不同厂家设备物联组网。并可以利用5g芯片的算力，其主频可以达到2.4g，利用内嵌的微操作系统，可以为家庭低时延、高带宽、本地存活、数据聚合等的家庭娱乐游戏、安全用电需求提供支撑。
64.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。