引言
·研究与探讨·
基于工业蓝牙的建筑智能配电系统灵活部署方案
石兆磊
［上海量铭电气科技有限公司，上海200082 ]
摘要：本文针对建筑智能配电系统提出了一种基于工业蓝牙的灵活部署方案。该方案利用工业蓝牙技术实现数据的无线传输，降低了系统的实施成本。通过对建筑智能配电系统的需求分析，详细阐述了系统的架构、硬件组成和软件设计。方案中采用了具有低功耗、低成本特性的工业蓝牙模块，有效降低了系统的整体成本。同时，通过优化系统的通信协议和算法，提高了数据传输的可靠性和实时性。该方案具有成本低、性能可靠、易于扩展等优点，为建筑智能配电系统的发展提供了一种新的选择。
关键词：工业蓝牙；建筑智能配电系统；低成本；无线传输
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。
随着信息技术的不断发展，智能配电系统在建筑中的应用越来越广泛。建筑智能配电系统能够实现对建筑电力设备的实时监测、控制和保护，提高建筑配电系统的可靠性和稳定性。然而，传统的建筑智能配电系统通常采用有线通信方式，存在布线复杂、成本高等问题。为了解决这些问题，本文提出了一种基于工业蓝牙的建筑智能配电系统灵活部署方案。
2建筑智能配电系统需求分析
建筑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。
在建筑智能配电领域，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。
典型智能配电系统图
从图上可以看出，本地组态系统有以下普遍的问题：
RS485通信布线成本高
人工调试复杂，成本高
需要改造时，无法再次布线
调试麻烦，无法多点访问
功能有限，升级困难
以100台典型的电力仪表设备为例，2个配电室之间采用光纤连接，估算通信线1000m，普通布线工人2人10天，调试计算机工程师2人10天。特别是遇到线路布线的瑕疵，需要查找故障点，更是无法计算投入和消耗。
3建筑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
建筑智能配电系统中，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
建筑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 WiFi 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
建筑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
建筑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选择蓝牙进行工业化改造适应建筑智能配电需求
4.1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。
4.2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。
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。
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。
4.3解决传输距离问题的波束聚集技术
波束汇聚技术通过将射频信号聚焦在特定的方向上，从而提高信号的强度和传输距离。其原理可以用以下公式表示：
其中：表示接收功率，表示发射功率，表示发射天线增益，表示接收天线增益，表示波长，表示传输距离。
从公式中可以看出，通过增加发射功率、天线增益以及减小波长和传输距离，可以提高接收功率，从而实现信号的增强和远距离传输。
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。
4.4采用 Sigmesh 技术实现1对 200 的建筑智能配电需求
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。
满足连接数量要求：可以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，其连接数量的计算公式可以表示为：
N=C*L，其中N表示连接数量，C表示信道容量，L表示网络层数。
5案例分析
以某建筑智能配电系统为例，采用了基于工业蓝牙的建筑智能配电系统后，能够快速低成本部署。
部署的拓扑图如下：
其具备以下优势：
（一）低成本
采用工业蓝牙技术实现数据的无线传输，避免了传统有线通信方式的布线成本。同时，工业蓝牙模块和传感器节点等硬件设备的成本相对较低，能够有效降低系统的整体成本。
以100台典型的电力仪表设备为例，
如果采用传统的RS485方案：
2个配电室之间采用光纤连接，估算RS485通信线1000m，普通布线工人2人10天，调试计算机工程师2人10天。特别是遇到线路布线的瑕疵，需要查找故障点，更是无法计算投入和消耗。
如果采用新的工业蓝牙方案：
通讯线0米，布线工人0人，调试工程师1人1天。
可以减少几乎99%布线工作及线缆，减少80%的调试工作量，减少80%的后期维护工作量。
（二）易于安装和维护
系统采用无线通信方式，安装和维护非常方便。无需进行复杂的布线工作，减少了安装时间和成本。同时，系统的故障排查也更加简单，能够灵活定位和解决问题。
（三）可靠性高
工业蓝牙模块具有较强的抗干扰能力和较远的传输距离，能够确保数据传输的可靠性。同时，系统采用了冗余设计和故障诊断机制，提高了系统的可靠性和稳定性。
扩展性强
系统采用星型网络拓扑结构，易于扩展和添加新的设备。可以根据实际需求，随时增加传感器节点和智能断路器的数量，满足不同用户的需求。
系统安装后，能够实时监测电力设备的运行状态，实现了对电力设备的远程控制。同时，系统能够及时发出故障报警信号，并对故障进行诊断和定位，大大提高了电力系统的可靠性和稳定性。此外，该系统的成本比传统的建筑智能配电系统降低了 30% 左右，为工厂节省了大量的成本。
6结论
本文提出的基于工业蓝牙的建筑智能配电系统灵活部署方案，具有成本低、易于安装和维护、可靠性高、扩展性强等优点。该方案能够满足建筑智能配电系统的需求，为用户提供了一种新的选择。随着工业蓝牙技术的不断发展和完善，该方案将具有更广阔的应用前景。
[参考文献]：
【1】刘彧挥，刘森涛，张春，等.基于蓝牙通信的配电自动化开关角色授权装置[J].山东电力技术，2019，46（258）：41-43.
【2】马群，于佳. 面向新型电力系统的感知层网络技术 研究[J]. 山东电力技术，2023，50(6)：13-19
【3】高立克;吴智丁;吴丽芳;徐学通，等.近距无线技术在智能配电网终端产品的应用 机电信息[J]，2013，3（356）
【4】MAHDI D S, CARLES G. Modeling the connectivity of data-channel-based BLE low energy mesh networks[J]. IEEE Communications Letters, 2018, 22(10): 2124-2127.
【5】黄克亚 基于蓝牙技术的时间同步与无线监控系统实验设计 实验技术与管理[J] 2021，11（38）：81-85
【6】刘永欣，崔佳冬，何登强，等 . 基于蓝牙 Mesh 分布式控制和平均一致性的智慧照明系统[J]. 电子技术应用， 2024，50(4)：109-114.