一种基于蓝牙通讯的智能电能表系统及其通信方法

摘要

本发明公开了一种基于蓝牙通讯的智能电能表系统及其通信方法，系统包括电能表、智能微型断路器、终端模块和蓝牙模块；蓝牙模块采用蓝牙模组或SOC两种方式；在采用蓝牙模组时，蓝牙模组包括第一蓝牙模组和第二蓝牙模组，电能表通过第一蓝牙模组与智能微型断路器和从设备相连；电能表依次通过第一蓝牙模组和第二蓝牙模组与终端模块相连；在采用SOC方式时，电能表通过自身集成蓝牙与智能微型断路器、从机和终端模块相连；电能表工作在一主多从模式时，电能表做为主机，电能表主动发起与智能微型断路器或其它从设备的数据连接；电能表做为从机时，电能表接受来自终端模块的连接请求进行蓝牙通信。本发明具有安全可靠性高、功耗低且稳定性好等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及智能电能表技术领域，具体涉及一种基于蓝牙通讯的智能电能表系统及其通信方法。

背景技术

新一代电能表(IR46模组化电能表)对数据通信要求越来越高，在我国现有的电能表技术体系里，通信部分目前主要由通信模块(电力线载波、微功率无线等)、RS485、红外来实现，从实际应用来看，RS485和红外这两种方式存在明显的缺陷，如RS485布线施工难、通信速度低；红外通信不可靠、速度慢等，这两种技术明显不适用未来电能表技术发展趋势，目前急需一种高速、可靠的本地通信技术来替代RS485和红外。

其中蓝牙技术经过多个版本的升级，目前已经广泛应用于物联网领域，是一门成熟的通信技术，且蓝牙已经完全国产化，不存在垄断问题，蓝牙技术可以有效的弥补电能表本地通信瓶颈。

具体地，蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙作为一种小范围无线连接技术，能在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信，因此它是目前实现无线个域网通信的主流技术之一，与其他网络相连接可以带来更广泛的应用，是一种尖端的开放式无线通信，能够让各种数码设备无线沟通，是无线网络传输技术的一种。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口(Radio Air Interface)，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。简单的说，蓝牙技术是一种利用低功率无线电在各种3C设备间彼此传输数据的技术。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，使用IEEE802.11协议。作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络的发展。

但是，蓝牙存在的问题总体上包括以下几点：

(1)蓝牙的功耗问题。蓝牙传输数据的频率不高，在传输数据的过程中耗能较少，但是，为了及时响应连接请求，在等待过程中的轮询访问却是十分耗能的。

(2)蓝牙的连接过程烦琐。蓝牙的连接过程中涉及多次的信息传递与验证过程，表面上来看似乎并不能让使用者感受到复杂的连接程序，但是，反复的数据加解密过程和每次连接都需进行的身份验证过程却是对于设备计算资源的一种极大的浪费。

(3)蓝牙的安全性问题。蓝牙的首次配对需要用户通过PIN码验证，PIN码一般仅由数字构成，且位数很少，一般为4～6位。PIN码在生成之后，设备会自动使用蓝牙自带的E2或者E3加密算法来对PIN码进行加密，然后传输进行身份认证。在这个过程中，黑客很有可能通过拦截数据包，伪装成目标蓝牙设备进行连接或者采用“暴力攻击”的方式来破解PIN码。此外，在蓝牙传输数据的过程中使用的加密算法的安全性也有待提高。出现以上情况的原因在于蓝牙技术的本身，由于蓝牙的设计目标为设备间组成一个无基站式局域网(类似于WLAN的AdHoc模式)，进行多设备间的近距离通信，为了保证私密性和安全性，蓝牙协议要求每次连接前必须进行身份认证。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种安全可靠高的基于蓝牙通讯的智能电能表系统及其通信方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于蓝牙通讯的智能电能表系统，包括电能表、智能微型断路器、终端模块和蓝牙模块；所述蓝牙模块采用蓝牙模组或SOC两种方式，其中SOC为电能表自身集成蓝牙协议栈；在采用蓝牙模组时，蓝牙模组包括第一蓝牙模组和第二蓝牙模组，所述电能表通过第一蓝牙模组与智能微型断路器和从设备相连；所述电能表依次通过第一蓝牙模组和第二蓝牙模组与终端模块相连；在采用SOC方式时，电能表通过自身集成蓝牙与智能微型断路器、从机和终端模块相连；其中电能表工作在一主多从模式时，电能表做为主机，电能表主动发起与智能微型断路器或其它从设备的数据连接，进行蓝牙通信；电能表做为从机时，电能表接受来自终端模块的连接请求，进行蓝牙通信。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述蓝牙模块为单模低功耗蓝牙且为4.0版本。

本发明还公开了一种基于如上所述的基于蓝牙通讯的智能电能表系统的通信方法，包括蓝牙模组或SOC两种方式，且电能表工作在一主多从模式时，电能表做为主机，电能表主动发起与智能微型断路器或其它从设备的数据连接，进行蓝牙通信；电能表做为从机时，电能表接受来自终端模块的连接请求，进行蓝牙通信。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括基于费控模式下的电能表与智能微型断路器的连接方法，包括读数据：主机通过蓝牙模块对电能表操作前需要进行蓝牙认证，打开操作权限，如认证不通过，只能读出表号、通信地址、备案号、当前日期、当前时间、当前电能、当前剩余金额，其它信息不允许读出；写数据：主机通过蓝牙模块对电能表写操作前需进行蓝牙认证，认证不通过，所有信息不允许设置，仅支持蓝牙认证命令；电能表与外置智能微型断路器数据交互：电能表和智能微型断路器唯一对应，电能表不能操作其它智能微型断路器，智能微型断路器也不允许其它电能表来控制；其中电能表对智能微型断路器的读或写权限不同，读数据完成确认即可，拉合闸或写参数需进行智能微型断路器身份认证；其中电能表蓝牙上电一直保持工作状态，智能微型断路器蓝牙工作方式为周期性唤醒；智能微型断路器蓝牙唤醒后与电能表成功建立连接，在预定时间内，如没有收到电能表的随机数密码确认或写操作智能微型断路器身份认证，则自动断开连接，以防止被攻击者恶意连接。

还包括电能表与智能微型断路器的匹配方法：

终端模块完成与电能表身份认证；

智能微型断路器蓝牙MAC地址通过二类参数设置到电能表中，电能表根据此智能微型断路器蓝牙MAC地址与智能微型断路器建立数据连接，同时将智能微型断路器资产号通过一类参数写入到电能表ESAM文件中；

电能表ESAM利用智能微型断路器资产号离散生成用于控制智能微型断路器的各种密钥，电能表和智能微型断路器之间的安全通过该密钥保证；其中智能微型断路器安装前，已根据智能微型断路器资产号下装离散密钥。

其中智能微型断路器身份认证及随机密码生产的过程为：

电能表上电后，通过匹配MAC地址与智能微型断路器建立通信连接；

智能微型断路器身份认证，智能微型断路器身份认证通过后，返回的随机数作为随机密码；

智能微型断路器身份认证通过后，进入身份认证状态，可进行参数修改和拉合闸操作，否则返回错误；其中智能微型断路器身份认证过程用于拉合闸或写操作前的认证，读数据不需要；随机密码用于电能表和智能微型断路器的数据抄读确认，也用于攻击者伪冒电能表蓝牙MAC，频繁与智能微型断路器建立非法连接。

电能表读取智能微型断路器数据的过程：

电能表通过MAC地址与智能微型断路器建立连接；

电能表向智能微型断路器发送随机密码，智能微型断路器确认随机密码后，开放读权限，电能表可以开始读取智能微型断路器数据；

读取数据完毕，电能表断开连接，智能微型断路器在预设时间内如无任何数据帧通信，主动断开连接；

其中电能表控制智能微型断路器的过程为：

终端模块完成与电能表身份认证，下发远程拉合闸命令给电能表；

电能表正确解析密文后，与智能微型断路器进行智能微型断路器身份认证，失败直接退出；

智能微型断路器身份认证通过后，开放写操作，电能表可以对智能微型断路器进行密文远程拉合闸或写参数；

拉合闸或写数据完毕，电能表断开连接，智能微型断路器如在预设时间内如无任何数据帧通信，主动断开连接。

电能表具有三种工作状态，分别为：广播状态、待机状态和连接状态；

当电能表处于“广播状态”，电能表每次发送广播后待机一段时间，每次广播前产生一个随机延时，并被加在广播中，以避免多个电能表同时广播引起数据冲突；每次广播电能表在不同信道分别发送广播数据；电能表发送广播数据后，等待终端模块发起扫描请求；

当电能表处于“连接状态”，且不再需要与终端模块连接时，电能表主动断开连接，进入“待机状态”；如果电能表处于“连接状态”，且超过一段时间没有数据传输，则电能表主动断开连接，进入“待机状态”；当因连接丢失而断开连接时，电能表尝试重新连接终端模块，超过一段时间未与任何终端设备连接，为了降低电能表功耗，电能表自动进入“待机状态”；

当电能表处于“待机状态”，且有终端模块发送连接请求尝试与电能表连接时，一段时间电能表尝试与终端模块连接，并判断终端模块是否在“白名单”中，如果该终端模块在“白名单”中，则与该终端模块连接，电能表进入“连接状态”，且电能表为从机，终端模块为主机；超过一段时间后，电能表尝试与任意终端模块连接，并且允许电能表与新的终端模块连接；如果在一段时间内未成功建立连接，则停止尝试连接，电能表保持“待机状态”。

电能表与终端模块的连接过程为：电能表工作在外围设备模式下，终端模块工作在中央设备模式下；电能表发送广播，终端模块扫描正在发广播的电能表，当电能表接收到终端模块的扫描请求后，向终端模块发送扫描回应数据，终端模块接收到扫描回应数据后，发起连接请求。

电能表和智能微型断路器之间以蓝牙作为唯一的通信方式，通过蓝牙信道实现智能电表对相配对的电表进行拉合闸操作；在通信之前需要对双方进行必要的配置；智能微型断路器和电能表配置完成后，双方即可建立连接，电能表和智能微型断路器之间通过唯一的Mac识别建立唯一的通信路径，通信数据将通过配置的密钥进行加解密。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明完成基于蓝牙的高可靠性智能微断的应用层规约研究、BLE模组框架和SOC应用框架，实现高可靠性智能微断的蓝牙模组上电初始化等系列流程；基于费控模式的蓝牙智能微断的读写数据、远程控制及信息反馈的安全机制，实现蓝牙微型断路器与电能表之间的安全信息交互，提高蓝牙微型断路器电磁干扰环境下蓝牙配对可靠性和复杂环境下蓝牙长期保持不掉线、温湿交变环境下的整体可靠性。

本发明将新一代电能表外置断路器与智能电能表采用无线蓝牙方式连接，取代智能电能表与外置断路器采用有线电平方式连接；实现低压配电网对数据信息的交互、全面感知、数据融合和智能应用，以及支撑在电力物联网和智能电网的建设；实现新一代电能表与外置断路器之间的准确、自动配对，防止控制“串户”问题发生；为新一代蓝牙智能微型断路器的检测提供技术支撑，确保后期入网微型断路器的可靠性和稳定性；突破电磁干扰环境下蓝牙配对可靠性、复杂环境下蓝牙长期保持不掉线、温湿交变环境下的可靠性等技术难题。

本发明选择使用低功耗蓝牙替代RS485和红外，具有非常低的静态和动态通信功耗；低功耗蓝牙新增的广播信号功能，在电能表自动线及台体检表时有独特的优势；低延时的连接速度，低功耗蓝牙支持毫秒级的设备连接设置与数据传输，非常适合多台电能表同时工作场景，而经典蓝牙受制于协议限制，连接时间需秒级以上。

附图说明

图1为本发明的蓝牙模组在实施例的方框图。

图2为本发明的SOC方式在实施例的方框图。

图3为本发明的蓝牙上电方法流程图。

图4为本发明中智能微断BLE多连接管理流程图。

图5为本发明中智能微断BLE数据交互流程图。

图6为本发明的从设备数据交互流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

现先就蓝牙系统的组成以及实践依据进行说明：

目前蓝牙系统组成技术主要包括底层硬件模块、中间协议层、高级应用等，分别介绍如下：

a、底层硬件模块

蓝牙技术系统中的底层硬件模块由基带、跳频和链路管理。其中，基带是完成蓝牙数据和跳频的传输；无限跳频层是不需要授权的通过2.4GHz ISM频段的微波，数据流传输和过滤就是在无线调频层实现的，主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件；链路管理实现了链路建立、连接和拆除的安全控制。

b、中间协议层

蓝牙技术系统构成中的中间协议层主要包括了服务发现协议、逻辑链路控制和适应协议、电话通信协议和串口仿真协议四个部分。其中服务发现协议层的作用是提供上层应用程序一种机制以便于使用网络中的服务；逻辑链路控制和适应协议是负责数据拆装、复用协议和控制服务质量，是其他协议层作用实现的基础。

c、高层应用

在蓝牙技术构成系统中，高层应用是位于协议层最上部的框架部分。蓝牙技术的高层应用主要有文件传输、网络、局域网访问。不同种类的高层应用是通过相应的应用程序通过一定的应用模式实现的一种无线通信。

目前蓝牙技术实践的依据有以下几条：

(1)智能微型断路器蓝牙-名称、MAC地址、广播功能、注册费用

蓝牙名称是蓝牙的具体蓝牙设备的代名词，平时从手机扫描显示出来就是蓝牙名称，它用于辅助设备管理。在电能表蓝牙方案中，在上电后，电能表MCU主动将蓝牙名称修改为电能表通信地址(通过串口通信，类似于修改载波模块通信地址)。其中蓝牙MAC地址在蓝牙通信中非常重要，蓝牙通信依靠MAC地址，在已知蓝牙MAC地址前提下，主机可以快速连接上蓝牙设备(毫秒级)。

其中低功耗蓝牙在从机模式下具备自动广播信息功能，主机可以根据收到从机广播信息来分辨出蓝牙名称和MAC地址。一般情况下，从机上电复位后，30秒(可以设置更长时间max＝2600秒)内，以20ms周期发出广播蓝牙名称和MAC信息，30秒后，为减少功耗，每645ms发出广播。

蓝牙设备在主机模式下，以10ms进行一次扫描，以接受从机的广播信息。

考虑到低功耗蓝牙只有3个广播信道，如果范围内蓝牙较多，就会存在信号互相干扰的问题，这意味着，对于电能表来说，因蓝牙立足于本地通信，所以控制蓝牙的发射功率很有必要，不能让蓝牙信号范围过大，一是防止扰民，二是防止信道拥堵，影响通信效率。

采用广播功能，主机能在知晓电能表通信地址的前提下，自动扫描出电能表蓝牙MAC地址，从而进行连接和数据通信。

在电能表蓝牙方案设计里，电能表内蓝牙模块称之为从机，台体、自动线、掌机、采集器等蓝牙模块称之为主机。在应用场景中，主机获取从机MAC地址(通过档案读取、人工输入或广播扫描方式)后，建立连接，然后进行一对一通信，主机不同时和多个从机建立连接。

(2)智能微型断路器应用蓝牙-兼容性

低功耗蓝牙技术又可以构建两种类型的设备：双模设备BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)和单模设备BLE(Bluetooth Low Energy)。BR/EDR是基本速率通信，向下兼容传统的蓝牙3.0及其以下的版本，适用于收到数据量较多的设备(例如蓝牙耳机)。BLE是在蓝牙4.0协议中出现的，主要用于实现移动终端模块与周边配件之间的持续连接，是功耗极低的短距离无线通信技术。

双模设备既支持经典蓝牙又支持低功耗蓝牙。单模设备只支持低功耗蓝牙。当然还有第三种类型——仅支持经典蓝牙的设备，典型的双模设备有智能手机、平板电脑、PC等，协议互通性如下：

表1单模、双模和经典蓝牙的兼容

在本发明中明确电能表选用低功耗蓝牙方案，在电能表应用场景中，除了电能表、台体、采集器等电力设备外，对手机、平板电脑等其它设备支持，也是非常有必要的，因为可以从需求层次挖掘应用方式的多样性。

从表1可知，电能表使用低功耗类型的单模蓝牙，在确保主从机均使用V4.0及后续版本的前提下，兼容性方面不存在问题。

如图1和图2所示，本实施例的基于蓝牙通讯的智能电能表系统，包括电能表、智能微型断路器、终端模块和蓝牙模块；蓝牙模块采用蓝牙模组或SOC两种方式，其中SOC为电能表自身集成蓝牙协议栈；在采用蓝牙模组时，蓝牙模组包括第一蓝牙模组和第二蓝牙模组，电能表通过第一蓝牙模组与智能微型断路器和从设备相连；电能表依次通过第一蓝牙模组和第二蓝牙模组与终端模块相连；在采用SOC方式时，电能表通过自身集成蓝牙与智能微型断路器、从机和终端模块相连；其中电能表工作在一主多从模式时，电能表做为主机，电能表主动发起与智能微型断路器或其它从设备的数据连接，进行蓝牙通信；电能表做为从机时，电能表接受来自终端模块的连接请求，进行蓝牙通信。

本实施例中，使用低功耗单模蓝牙，具有非常低的静态和动态通信功耗；低功耗蓝牙新增的广播信号功能，在电能表自动线及台体检表时有独特的优势；低延时的连接速度，低功耗蓝牙支持毫秒级的设备连接设置与数据传输，非常适合多台电能表同时工作场景，而经典蓝牙受制于协议限制，连接时间需秒级以上。

本发明还相应公开了一种基于如上所述的基于蓝牙通讯的智能电能表系统的通信方法，包括蓝牙模组或SOC两种方式，且电能表工作在一主多从模式时，电能表做为主机，电能表主动发起与智能微型断路器或其它从设备的数据连接，进行蓝牙通信；电能表做为从机时，电能表接受来自终端模块的连接请求，进行蓝牙通信。

具体地，在蓝牙通信场景中，定义了主机和从机两种角色,主机主动发起数据连接，从机响应建立连接，蓝牙支持一主多从共存模式，主机可能是采集器、台体自动线、手持设备、电能表，从机可能是电能表、外置负荷智能微型断路器等，其典型网络拓扑如图1和图2所示。智能微断及相关设备应用蓝牙使用蓝牙模组和SOC两种方式，SOC方式即电能表主MCU自身集成蓝牙协议栈，其蓝牙模组应用框图见图1所示；蓝牙SOC应用框图见图2所示；在各类应用场景中，电能表蓝牙是工作在一主多从模式，做为主机，电能表主动发起与智能微断或其它从设备的数据连接，进行蓝牙通信；做为从机，电能表接受来自台体、自动线、手持设备/APP的连接请求，进行蓝牙通信。

如图3所示，本实施例中，智能微断的蓝牙模组向电能表发送请求配置系统参数命令，电能表收到请求命令后，返回系统参数给蓝牙模组；系统参数包括本地MAC地址、3个从机MAC地址列表和蓝牙名称；

蓝牙模组根据系统参数配置自身MAC地址、蓝牙名称(设备名)；

蓝牙模组开始广播，等待被主机连接，同时根据从机MAC地址列表合法性，根据通信需求与从机建立连接。

注：从机可能是周期性唤醒工作机制，电能表蓝牙模组应能开启广播侦听，如无法确认从机的存在，则应报错或上报。

本实施例中，还包括基于费控模式的蓝牙智能微断(智能微型断路器，或称负荷开关)连接安全策略，包括以下几个方面：

a.读数据：主机通过蓝牙对电能表操作前需要进行蓝牙认证，打开操作权限。认证不通过，只能读出表号、通信地址、备案号、当前日期、当前时间、当前电能、当前剩余金额，其它信息不允许读出。

b.写数据：主机通过蓝牙对电能表写操作前需进行蓝牙认证，认证不通过，所有信息不允许设置,仅支持蓝牙认证命令。

c.电能表与外置开关数据交互：电能表和开关唯一对应，电能表不能操作其它开关，开关也不允许其它电能表来控制。其中电能表对开关的读或写权限不同，读数据完成确认即可，拉合闸或写参数需进行开关身份认证。

电能表蓝牙上电一直保持工作状态，开关蓝牙工作方式为周期性唤醒(满足开关功耗要求)，一般默认2秒。

开关蓝牙唤醒后与电能表成功建立连接，在1秒内，如没有收到电能表的随机数密码确认或写操作开关身份认证，则自动断开连接，以防止被攻击者恶意连接。

d.电能表与智能微断的匹配：

主站或手持设备完成与电能表身份认证；

开关蓝牙MAC地址通过二类参数(密文+MAC)设置到电能表中，电能表根据此开关蓝牙MAC地址与开关建立数据连接，同时将开关资产号通过一类参数(明文+MAC)写入到电能表ESAM文件中；

电能表ESAM利用开关资产号离散生成用于控开关的各种密钥，电能表和开关之间的安全通过该密钥保证。

注：负荷开关安装前，已根据开关资产号下装离散密钥。

e.智能微断身份认证及随机密码生产

电能表上电后，通过匹配MAC地址与开关建立通信连接；

开关身份认证：开关身份认证同Q/GDW365—2013《智能电能能表信息交换安全认证技术规范》中远程身份认证流程；

开关身份认证通过后，返回的4字节随机数作为随机密码；

开关身份认证通过后，进入身份认证状态，可进行参数修改和拉合闸操作，否则返回错误。

注：开关身份认证过程用于拉合闸或写操作前的认证，读数据不需要。

注：随机密码用于电能表和开关的数据抄读确认，也用于攻击者伪冒电能表蓝牙MAC，频繁与开关建立非法连接。

f.电能表读智能微断数据

电能表通过MAC地址与开关建立连接；

电能表向开关发送随机密码，开关确认随机密码后，开放读权限，电能表可以开始读取开关数据；

读取数据完毕，电能表断开连接，开关如60秒内如无任何数据帧通信，主动断开连接(注：开关身份认证过程权限高于随机密码确认，如开关处于认证状态，则直接开放读权限)。

g.电能表控制开关

主站或手持设备完成与电能表身份认证，下发远程拉合闸命令给电能表；

电能表正确解析密文后，与开关进行开关身份认证，失败直接退出；

开关身份认证通过后，开放写操作，电能表可以对开关进行密文远程拉合闸或写参数(注：蓝牙连接状态的明文安全依靠蓝牙链路层AES128加密来保证，连接状态的开关无法被其它蓝牙设备类主机扫描到，处于隐蔽状态)；

拉合闸或写数据完毕，电能表断开连接，开关如60秒内如无任何数据帧通信，主动断开连接。

本实施例中，电能表具有3种工作状态，分别为：广播状态，待机状态，连接状态。

当电能表处于“广播状态”，电能表每次发送广播后待机0.02秒～10.24秒，每次广播前产生一个0ms～10ms的随机延时，这个延时被加在广播中，以避免多个电能表同时广播引起数据冲突。每次广播电能表在各个信道分别发送广播数据。电能表发送广播数据后，等待采集设备发起扫描请求；

当电能表处于“连接状态”，且不再需要与终端模块(如采集设备)连接时，电能表主动断开连接，进入“待机状态”。如果电能表处于“连接状态”，且超过5秒没有数据传输，则电能表主动断开连接，进入“待机状态”。当因连接丢失而断开连接时，电能表尝试重新连接采集设备。超过30秒未与任何采集设备连接，为了降低电能表功耗，电能表自动进入“待机状态”；

当电能表处于“待机状态”，且有采集设备发送连接请求尝试与电能表连接时，前10秒内电能表尝试与采集设备连接，并判断采集设备是否在“白名单”中，如果该采集设备在“白名单”中，则与该设备连接，电能表进入“连接状态”，且电能表为从设备，采集设备为主设备；超过10秒后，电能表尝试与任意采集设备连接，并且允许电能表与新的采集设备连接；如果在30秒内未成功建立连接，则停止尝试连接，电能表保持“待机状态”

本初稿例中，电能表与采集设备的连接过程为：电能表工作在外围设备模式下，采集设备工作在中央设备模式下。电能表发送广播，采集设备扫描正在发广播的电能表，当电能表接收到采集设备的扫描请求后，向采集设备发送扫描回应数据。采集设备接收到扫描回应数据后，发起连接请求。

另外，本发明还涉及到基于蓝牙的智能微断的读/写数据、控制及精准自动配对技术，具体如下：

(1)智能微断的BLE多连接管理

智能微断支持一主多从，即多连接模式，要求能同时支持被读/被写数据(做为从机)，从设备控制(做为主机)等工作，多连接管理流程见图6。

注：电能表被主机连接后，如30秒没收到任何有效帧，则自动断开连接，连续3次异常断开则将主连接设备列入黑名单5分钟。

(2)智能微断的数据流方向控制

智能微断与其他设备建立连接之后，由于存在与多个设备同时连接的情况，当智能微断接收数据时，根据数据的内容判断是从哪个设备发送过来的；当智能微断需要发送数据给某台设备时，通过CTRL0和CTRL1引脚(详见推荐硬件接口)来控制蓝牙数据方向，格式如下表:

智能微断数据交互流程如图5所示。

(3)从设备交互流程

从设备典型如用户手持终端，上电后开启广播功能，等待被智能微断连接，如图6所示。

本实施例中，蓝牙断路器与电能表自动配对方法为：

1)蓝牙断路器产生一个8位随机数作为自动配对特征码；

2)蓝牙断路器以无功电流方式将自动配对特征码调制发送到电缆线上；

3)同时，蓝牙断路器使用蓝牙广播发送自动配对特征码；

4)电能表初始化后检查从机列表，检测断路器从机未设置时发起自动寻找表后断路器；开始采样记录电流数据，电流数据采样足够时通过算法解调自动配对特征码；

5)电能表蓝牙模块扫描蓝牙广播，当蓝牙扫描到一个或多个广播包中自动配对特征码与电缆线上的自动配对特征码一致时，记录蓝牙断路器地址；扫描一定时间后得到一个可能为电能表后安装的蓝牙断路器列表，连接其中一个蓝牙断路器；

6)电能表产生8位随机数作为新的自动配对特征码并发送更改自动配对特征码命令到蓝牙断路器；

7)蓝牙断路器接收命令后电缆线上发送的数据更改为新的自动配对特征码并回复电能表更改完成；

8)电能表收到回复后延时一小段时间，再次采样记录电流数据，电流数据采样足够时通过算法解调出自动配对特征码；

9)当电能表再次解调得到的自动配对特征码与新的自动配对特征码一致时可以确认该断路器为电能表后安装的断路器。存储该断路器地址；

10)当电能表再次解调得到的自动配对特征码与新的自动配对特征码不一致时，断开连接的蓝牙断路器并在扫描列表中删除该蓝牙断路器地址，设置连接下一个蓝牙断路器并转到步骤6)；如果扫描列表为空则认为自动寻找表后断路器失败。

本实施例中，配对数据编码方式为：

1)数据速率：60ms/bit；

2)调制方式：采用OOK方式调制数据。即开关模式，有电流为高表示数据0，没电流为低表示数据1；

3)数据帧格式：数据空闲位、起始位、数据位、插入位、校验位、结束位组成；

4)空闲位：6位1，即持续360ms无电流时间；

5)起始位：1位0；

6)数据位/插入位：数据位低位在前，高位在后；每4位数据一个插入一位插入位，数据位高为1低为0，插入位与前一个数据位相反，以保证数据中不会有持续的6位高或低，且在每个边沿，数据解调算法会自动校准始终以保证数据不会错位；

7)校验位：奇校验，使数据位、插入位、校验位保持奇数个1；

8)结束位：1位0。

在其它实施例中，相对应的电能表与智能微型断路器之间的蓝牙通信的配对方法也可以为以下步骤：

S01、采用终端模块从电力公司的数据库获取电能表和断路器的条形码以及MAC地址，并保存在终端模块中；

S02、采用终端模块扫描断路器上的条形码，终端模块与断路器进行蓝牙连接；根据扫描到的条形码信息从数据库获得断路器配对码并进行配对连接；

配对成功后连接建立成功，终端模块通过扫描电能表的条形码从数据库中获得电能表的Mac地址，手动设置通信密钥，然后将获取到的电能表的Mac地址和通信密钥下发给断路器，下发成功后，手动断开连接；

S03、终端模块通过扫描电能表上的条形码，终端模块与电能表进行蓝牙连接；根据扫描到的条形码信息从数据库获得电能表配对码并进行配对连接；

配对成功后连接建立成功，终端模块通过扫描断路器的条形码从数据库中获得断路器的Mac地址，手动设置与步骤S2相同的通信密钥，然后将断路器的Mac地址和通信密钥下发给电能表，下发成功后，手动断开连接；

S04、断路器和电能表的配置完成后，双方即可建立连接，电能表和断路器之间通过彼此唯一的Mac地址识别，建立唯一的通信路径，通信数据通过前述步骤配置的密钥进行加解密。

电能表和断路器之间以蓝牙作为唯一的通信方式，通过蓝牙信道实现智能电表对相配对的电表进行拉合闸操作，在通信之前需要对双方进行必要的配置；断路器和表端模块配置完成后，双方即可建立连接，电能表和断路器之间通过唯一的Mac识别建立唯一的通信路径，通信数据将通过配置的密钥进行加解密。

上述应用于电能表和断路器之间通过蓝牙通信的现场配对方法，可以简单快捷的完成电能表和断路器之间现场的配对，使电能表和断路器之间能够正确有效的进行通信，避免现场电能表和断路器之间出现不匹配而导致的A户智能电表控制B户断路器的情况；其中采用蓝牙通信方式，成本低，操作便捷，稳定性高。

本实施例中，智能电能表配套设计包括：

1)计量芯定时采样存储一定长度的电流有效值数据；

2)计量芯与管理芯增加数据接口传输电流数据；

3)管理芯检查从机列表，发送启动寻找表外断路器；

4)管理芯增加寻找表外断路器相关命令响应；

5)蓝牙模块增加扫描解析断路器蓝牙广播功能。

本实施例中，自动配对流程为：

1)检查从机列表，蓝牙断路器从机未设置时开始采样电流数据；

2)电流数据采样要求：采样率100Hz每10ms采样一个数据；采样深度240，采样时间2.4S；数据类型16位无符号整型，按小端模式存储；

3)电能表管理芯对蓝牙模块发送启动寻找表后断路器指令；

4)等待蓝牙模块上报寻找结果或要求重新采样电流数据；

5)管理芯接收到重新采样电流指令，开始重新采样；

6)采样完成后发送回复到蓝牙模块；

7)蓝牙模块上报寻找结果。

下面结合一具体的实施例对上述的电能表MCU和配对模块之间的自动配对通信进行说明：

数据格式：由多字节组成的数据入无特殊说明均为小端模式，即低字节在低地址高字节在高地址。

串口通信参数默认值为：38400bps，1位起始位，8位数据位，1位偶校验位，1位停止位。

数据应答超时时间为不能大于500ms，每帧数据字节延时不能大于500ms。

(1)数据帧结构

相关说明如下：

FE:4个字节，用于唤醒串口，别无它用，可发可不发，不建议作为判断帧头的标识；68H：帧起始符，作为数据帧起始鉴别；L1L2:数据长度,为数据标识+数据；M5-M0：目标设备地址，如果是cmd，必须是全FF，如果不是cmd，则为目标设备的Mac地址，即表示这帧数据要发送到指定MAC的设备；C：控制码，用来说明本帧数据的功能，如00H：透传，01H：设置本模块参数；02H：读取本模块参数；D0～Dn：数据CS：帧校验码，1字节，采用校验和方式，数据从第1个68开始，到CS之前的数据做累加和，取最低1字节即可，如校验和算出来为1f5H，则取F5即可(CS＝1F5h％256)；16H：结束符，表示1帧数据结束。

(2)配对编码说明

(a)电能表发送启动自动寻找表后断路器请求帧：

功能：发送采集的电流数据，并且启动蓝牙模块自动寻找表后断路器；

控制码：04；

数据长度：L1L2格式如下：

应答帧：

启动自动寻找断路器流程：

数据为电能表采样的电流指纹数据；每个采样点数据为16位无符号整数型、大端模式、单位毫安；

电流指纹算法能识别出断路器特征码返回启动成功(00)，识别错误则返回启动失败(02)。

(b)蓝牙模块要求重新采样

功能：蓝牙模块要求重新采样电流数据。

控制码：04；

数据长度：L1L2格式如下：

应答帧：

启动电能表电流指纹数据采集,2字节数据为采样时间，取值0-65535，单位：10毫秒。电能表采集数据时间到后返回采集的数据(数据格式与启动自动寻找表后断路器04000001相同)。

(3)蓝牙模块上报自动寻找表后断路器成功

功能：蓝牙模块上报自动寻找表后断路器成功。

控制码：84；

数据长度：L1L2格式如下：

自动寻找表后断路器结果上报

寻找成功：上报长度7字节，寻找结果(00成功)+6字节蓝牙断路器MAC地址；

寻找失败：上报长度1字节，寻找结果(01失败)。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。