引言
·研究与探讨·
工业蓝牙在建筑智能配电中的应用
石兆磊
［上海量铭电气科技有限公司，上海200082 ]
摘要：本文探讨了工业蓝牙在智能配电中的应用，包括智能配电系统的特点、对无线传输的要求，以及蓝牙技术的优势和改造。通过对比多种无线传输技术，阐述了蓝牙 5.4 在智能配电中的应用优势，如更高的传输速率、更低的功耗、更强的抗干扰能力和满足大规模设备连接需求等。同时，介绍了波束聚集技术和 Sigmesh 技术在解决传输距离和实现一对多智能配电需求方面的作用。最后，通过实际样品测试，展示了工业蓝牙在智能配电中应用的可行性和有效性。
关键词：工业蓝牙；智能配电；无线传输；Sigmesh 技术；波束聚集技术
石兆磊(1981—), 男，电气工程师,从事电力工业和电气设备项目交付方案的研究。
1 引言
近年来，物联网、大数据、AI 等信息技术快速发展，智能配电技术广泛应用。为落实国家相关政策要求，用户侧低压配电系统需提高智能化程度，以满足日益增长的需求，提高运行效率，实现智慧用电。智能配电是利用现代信息技术，通过智能软硬件投入，实现电力设备监测、保护、控制、计量等功能，优化电力分配和使用，实现高效管理的配电模式。本文主要针对低压智能化配电技术中的数据无线传输方案进行解析，搭建基于工业蓝牙的智能配电系统。
2 智能配电系统的特点
智能供配电系统以信息技术为基础，以电力系统工程为原理，以实现智能管理和优化利用电力资源为目标。它具有高度的自动化、信息化、智能化特征，能够通过智能感应器和控制装置实现无人值守的自适应调度与控制，在高速通信网络上实时传输和处理海量数据，对电力系统进行全方位监控和管理，并通过人工智能和机器学习算法对采集的数据进行深度分析和处理，达到优化电能分配、提高能源利用效率、降低运营成本的目的。智能供配电系统在自动化程度高的基础上，具有发达的信息化和智能化特征，同时具有极高的可靠性和安全性能，通过冗余设计及多层次安全保护措施，使系统在各种复杂环境下稳定运行。
智能配电设备作为配电系统的重要组成部分，是实现智能配电系统的基础，依托信息技术，具备更多功能和通讯能力。智能监控仪表是主要的监控设备之一，采用智能芯片技术，具有强大的现场控制功能及分析记录能力，可灵活配置，具有精细化监测、远程云端管理等优势，对电网运行状态及电力数据的分析有更好的作用。随着信息技术发展，越来越多厂商推出智能化升级产品，增加了供电系统的可靠性，对搭建整体配电系统监控后台有很大支持。
通信传输技术随着物联网技术不断发展，智能配电产品通信功能不断增强，根据智能设备支持的不同传输特性可灵活组建不同网络，通过网关等技术手段，将前端采集的数据传输到监控后台。智能配电设备可灵活配置通讯模块，支持有线及无线传输。
在智能配电领域，数据传输需求大，目前主要采用屏蔽双绞线及 RS485 方式，但存在布线困难、成本高等弊端。因此，实现数据的无线传输成为重要研究方向。
3 智能配电对无线传输的要求
3.1 主机对多从机的连接能力
智能配电系统中，一个主机需要连接 100 到 200 个从机，对无线传输技术提出挑战。需建立稳定的网络拓扑结构，如星型、网状或混合拓扑结构，并具备良好的设备发现和连接管理功能。同时，要考虑频率资源的合理利用，采用跳频技术或多频道通信，优化数据传输协议。
3.2 实时性要求
智能配电系统对数据实时性要求高，无线传输技术需具备低延迟特点，从数据采集到传输、处理再到控制指令下达，时间延迟尽可能短。需采用高速的数据传输速率，如蓝牙 5.4、ZigBee 或 Wi - Fi 等，并优化数据传输方式，采用实时操作系统和高效算法。
3.3 双向可靠传输
双向可靠传输是核心要求之一，需采用可靠的通信协议和错误检测机制，如循环冗余校验（CRC）、校验和等，对数据进行校验，确保数据准确完整。无线传输技术需具备良好的抗干扰能力，选择具有较强抗干扰能力的无线传输技术或采用抗干扰措施，如滤波、屏蔽等，同时进行数据加密。
3.4 抗干扰能力
智能配电现场存在电磁干扰，无线传输技术必须具有较强的抗干扰能力。可选择合适的无线传输频率，采用扩频技术，如直接序列扩频（DSSS）或跳频扩频（FHSS），在硬件设计方面采用抗干扰性能好的组件，合理布局设备，在软件方面采用信号处理算法，定期监测无线信号质量。
3.5 传输距离要求
智能配电系统中设备距离可能较远，无线传输技术需满足 200 米以上传输距离要求。可采用高功率无线发射设备，注意遵守法规标准，选择高接收灵敏度的无线接收设备，采用中继设备，优化天线设计和布局。
4 无线传输技术对比
蓝牙、ZigBee 和 Wi - Fi 是常见的无线传输技术。蓝牙技术具有低功耗、低成本、易于使用等优点，适用于短距离数据传输，可与多种设备连接；ZigBee 技术具有低功耗、自组网、高可靠性等特点，适用于大规模物联网应用，但传输速率相对较低；Wi - Fi 技术具有高传输速率、广泛应用范围等优点，但功耗较高，不适合对功耗要求严格的场景。综合考虑，蓝牙技术在智能配电中的数据无线传输中具有一定优势。
5 选择蓝牙进行工业化改造适应智能配电需求
5.1 蓝牙 5.4 的新特性及应用优势
蓝牙 5.4 具备更高的传输速率，能更快地传输大量数据，提高数据传输效率，使实时监控和控制更精准及时；拥有更低的功耗，可延长设备电池寿命，降低维护成本和系统能耗；具有更强的抗干扰能力，采用优化的智能跳频信号技术和自适应跳频技术（AFH），能有效保障数据传输的稳定性和可靠性；在连接数量方面表现出色，能够满足智能配电系统中一个主机对 100 到 200 个从机的连接需求。
5.2 蓝牙 5.4 的技术指标
广播数据加密（Encrypted Advertising Data）：对广播数据进行加密，提高广播数据传输的机密性和安全性。广播包加密在两个设备建立 GATT 连接后生成密钥，广播方设备通过新特征 “Encrypted Data Key Material” 为接收者共享密钥材料，包含会话密钥和 IV 值。加密数据传输时，将需加密的多个 AD 结构集合连接成序列进行加密，广播包包含加密类型的数据，加密数据 AD 结构的数据字段包括随机化器字段和消息完整性检查（MIC）。
广播编码选择（Advertising Coding Selection）：对扩展广播中采用的 LE Coded PHY 指定编码方式（s = 2 或 s = 8），有助于管控和协调蓝牙设备间的通信距离。
带响应的周期性广播（Periodic Advertising with Responses）：是一种新的 BLE 逻辑传输层，用于向给定区域的所有同步接收设备传输周期性广播控制消息及用户数据，并允许同步接收设备通过响应时隙向广播设备发送响应。应用在电子价签（ESL）中时，可支持大量电子货架标签与单个接入点进行双向通信，延长电池寿命，保证设备相关性，实现一对多的简短通信。
LE GATT 安全级别特征（LE GATT Security Levels Characteristic）：用于在初始建立低功耗蓝牙连接时，让 GATT 客户端设备了解 GATT 服务端设备对安全级别的更高要求，提前执行必要的鉴权和加密过程，确保后续数据访问操作的安全性。
6 解决传输距离问题的波束聚集技术
在蓝牙通信和无线通信中，与距离、精确度和敏感度相关的公式及概念包括：
无线通信距离相关：自由空间传播模型（Friis 传输公式）可估算在理想自由空间中接收端的功率，从而反推距离变化；路径损耗公式反映信号在传输过程中的衰减程度。
精确度相关：均方根误差（RMSE）常用于衡量距离估计的精确度。
敏感度相关：接收灵敏度表示接收机能够正确检测到的最小输入信号功率，反映接收机对微弱信号的敏感程度。
为解决传输距离要求，在主机端采用射频的波束聚集技术，通过将射频信号聚焦在特定方向上，提高信号强度和传输距离。
7 采用 Sigmesh 技术实现一对 200 的智能配电需求
Sigmesh 是一种基于蓝牙的网状网络技术，采用多对多通信模式，提高系统可靠性和灵活性，通信机制基于广播和确认方式，确保数据可靠传输。在连接数量方面，可轻松满足智能配电系统中一个主机对 100 到 200 个从机的连接需求，连接数量计算公式为。此外，Sigmesh 具有低功耗特点，设备在不需要发送数据时进入休眠状态，降低功耗。
蓝牙 mesh 相较于 ZigBee 技术，具有设备互操作性更强、生态系统更庞大、配置和使用更简便、成本可能更低、传输速度更快、覆盖范围更广、无需额外网关实现部分功能、适合移动节点场景等优势。
通过选择蓝牙 5.4 技术，并结合波束聚集技术和 Sigmesh 技术，可实现智能配电中的数据无线传输，该方案具有布线简单、成本低、实时性好、双向可靠、抗干扰能力强等优点，为智能配电的发展提供了有力支持。
8 实际测试结果
根据对实际样品的测试，已能够达到以下指标：传输距离为无遮挡视距 200 米；单网关同时连接仪表数量大于 200 台；对应 485 传输速率为 19200bps。
9 结论
综上所述，工业蓝牙在建筑智能配电中具有广阔的应用前景，能够满足智能配电系统对数据无线传输的多方面要求，为实现智慧用电提供了可靠的技术支持。