基于nRF905的無線水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：論述了目前無線自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，系統(tǒng)采用nRF905構(gòu)建無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了無線方式的自動(dòng)抄表，解決了人工抄表費(fèi)時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)狀。文章闡述了無線水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，采用有效的低功耗設(shè)計(jì)方案，解決了電池使用壽命低的問題；通過構(gòu)建合理的通信協(xié)議，保證了通信的可靠性。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)具有通用性，適用于各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水表自動(dòng)抄表；無線通信；nRF905；通信協(xié)議

全國大部分新建居民小區(qū)除了引用綠色生態(tài)的概念外，還在整體設(shè)計(jì)中引進(jìn)了智能化居住小區(qū)的理念，以提高居民的生活質(zhì)量，自動(dòng)抄表系統(tǒng)也是智能化居住小區(qū)的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，住宅遠(yuǎn)傳系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)，無線水表抄表系統(tǒng)正是其中的一個(gè)重要部分。

目前集中器跟主站之間的通信技術(shù)已經(jīng)成熟，關(guān)鍵技術(shù)就在于集中器與各個(gè)模塊之間的通信。其主要的通信方式有：RS-485總線方式、電力線載波方式、無線方式、紅外方式。根據(jù)我國的區(qū)域不同以及建筑特點(diǎn)的不同這幾種通信方式必將共存一個(gè)時(shí)期。電力線載波方式在傳輸可靠性方面的問題很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)還不能很好的解決，這種方式也不太適合我國電網(wǎng)；紅外方式也不能適應(yīng)智能化小區(qū)的要求，仍然費(fèi)時(shí)費(fèi)力；無線方式則以安裝和維護(hù)難度低、很好的滿足智能化需求而倍受推捧，雖然還沒有被大范圍普遍應(yīng)用，但是無線抄表是將來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。

1 概述

1．1 無線水表抄表系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無線水表抄表系統(tǒng)是水表單元定時(shí)或者定量的將用戶用水量以無線傳輸方式發(fā)送到某固定站點(diǎn)，然后在由抄表終端或者GPRS等方式集中抄走的一種自動(dòng)化集中抄表系統(tǒng)。它比傳統(tǒng)的手工抄表相比有如下優(yōu)勢(shì)：1)工作效率上得到極大的提高，并且保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。2)能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)水表故障，減少損失。3)系統(tǒng)運(yùn)行成本低，大大減少了手工抄表所用的人力物力、出車等費(fèi)用。4)抄表時(shí)間靈活，不受用戶制約，避免了手工抄表員入戶難的問題。5)具有自動(dòng)報(bào)警功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法用水和盜水等現(xiàn)象。

1．2 工作原理

無線遠(yuǎn)傳水表正常狀態(tài)下工作在低功耗模式，CPU休眠、無線傳輸模塊關(guān)閉，電流消耗幾乎為零，采用定量發(fā)送的工作模式，即當(dāng)水表的電子計(jì)數(shù)每積累到一定量的時(shí)候(比如100升)，水表電子單元CPU被喚醒，然后開啟無線傳輸模塊，轉(zhuǎn)到工作模式并且處于發(fā)射狀態(tài)，此時(shí)水表的數(shù)據(jù)更新，水表電子單元將當(dāng)前的水表脈沖計(jì)數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，發(fā)送完畢后，繼續(xù)恢復(fù)到正常待機(jī)狀態(tài)的低功耗模式。水表采樣標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，可以適合任何一種采用脈沖傳感器式的水表基表(偉根式傳感器或干簧式傳感器)。

1．3 技術(shù)難度

同樣是無線抄表系統(tǒng)，相對(duì)于電表而言，水表的抄表系統(tǒng)存在更多的技術(shù)難題，這主要體現(xiàn)在抄表終端的設(shè)計(jì)上。歸納起來，水表的抄表終端必須解決以下幾個(gè)方面的問題：

1)供電 由于水表的抄表終端采用電池供電，因此，對(duì)功耗要求非常苛刻，經(jīng)常性的更換電池也是不現(xiàn)實(shí)的。一般而言，電池的使用時(shí)間至少要達(dá)到5年，這取決于電池的容量、設(shè)備的耗電情況、設(shè)備的運(yùn)行要求等等因素。

2)仿水水表所處的特殊環(huán)境總是與水、潮濕分不開的，因此，抄表終端必須在防潮、防水方面仔細(xì)考慮，要能夠在這樣的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

3)成本 無論是家庭用戶，還是企業(yè)用戶，抄表終端的成本始終是繞不開的話題，特別是家庭用戶，對(duì)于成本更為敏感。這里的成本包括兩個(gè)部分：第一，一次性改造或者安裝的成本；第二，系統(tǒng)的運(yùn)行成本。最好的方案應(yīng)當(dāng)是一次性投入的成本盡可能低，運(yùn)行成本沒有或者非常低。

4)對(duì)水表的故障檢測(cè) 人工抄表除了抄讀水表讀數(shù)外，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著檢查水表工作是否正常的任務(wù)。如果改為自動(dòng)抄表系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)也具備對(duì)水表故障的自動(dòng)檢測(cè)功能。當(dāng)然，這需要水表與抄表終端的配合才能實(shí)現(xiàn)。

5)計(jì)量的準(zhǔn)確性、通信的可靠性 這是無線抄表系統(tǒng)的最基本的要求，但同時(shí)又是不很容易解決定問題。因?yàn)闊o線通信很容易受到一些金屬、房屋結(jié)構(gòu)的屏蔽，還有一些無線信號(hào)頻率相近的電波干擾問題。這需要將硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)配置綜合起來考慮，將系統(tǒng)通信可靠性能達(dá)到最高。

6)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)安全 目前沒有一個(gè)通用的無線通信協(xié)議出臺(tái)，這樣不同的無線設(shè)備就不能做到相互兼容，需要自己定義一個(gè)比較合理的通信協(xié)議；另外無線通信的頻段相對(duì)較為固定，很容易被檢測(cè)到，這就需要在數(shù)據(jù)安全方面加強(qiáng)防范措施。

2 國內(nèi)外發(fā)展概況

國外已經(jīng)有了無線抄表系統(tǒng)的應(yīng)用，大部分已經(jīng)發(fā)展的很成熟，但是國外產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用還很少，目前已經(jīng)有一些國外產(chǎn)品在國內(nèi)打市場(chǎng)，也有一些國內(nèi)代理，比如法國CORONIS公司的WAVENIS技術(shù)，其技術(shù)含量較高，性能比較好。

當(dāng)前我國住宅遠(yuǎn)傳系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)，目前已經(jīng)形成了一個(gè)專門的行業(yè)，就像電視電話一樣，在國內(nèi)存在著巨大的市場(chǎng)，面對(duì)這塊“大蛋糕”，國內(nèi)一些企業(yè)爭(zhēng)先恐后的加入，但是系統(tǒng)的可靠性和兼容性還不夠完善，大部分遠(yuǎn)傳產(chǎn)品還不能做到跟基表同樣長(zhǎng)的使用壽命，產(chǎn)品使用年限到達(dá)后如何解決也是一個(gè)問題。

在水行業(yè)的信息化過程中，戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄送具有十分重要的意義，也是行業(yè)單位想要迫切解決的問題，水表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性直接影響到行業(yè)單位的信息化水平、管理決策、經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性、及時(shí)性等都得不到可靠的保證，特別對(duì)于地域廣闊、戶表分散的地區(qū)，人工抄表更是費(fèi)用高昂、效率低下，行業(yè)的實(shí)際需求催生著自動(dòng)抄表系統(tǒng)的出現(xiàn)。

3 系統(tǒng)解決方案

3．1 硬件設(shè)計(jì)

3．1．1 電源解決方案

交流電接入水表電子單元，安裝不便，而且水表使用環(huán)境潮濕，存在安全隱患，還需考慮停電后，戶用計(jì)量?jī)x表應(yīng)能正常工作一段時(shí)間，故仍需設(shè)計(jì)后備電池；若使用外接干電池就必須考慮在電池被取下后能關(guān)閥，故電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，可靠性降低，將產(chǎn)品的成本轉(zhuǎn)價(jià)到了用戶身上，使用費(fèi)用大大提高，電池漏液、電池接電片的銹蝕、氧化等因素的存在也降低了系統(tǒng)的可靠性。

利用鋰電池能量大、自放電率低、貯存時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，將鋰電池作為一個(gè)電子元件封裝于儀表中，在儀表的壽命期內(nèi)不需要更換。電池直接焊于電路板上，不會(huì)出現(xiàn)電壓突然下降的情況，故只需有電池電壓檢測(cè)電路，而不需掉電保護(hù)電路。

系統(tǒng)采用鋰電池方案的優(yōu)點(diǎn)有：1)減少了由用戶參與的環(huán)節(jié)，使用上方便了用戶。2)不需更換電池，用戶使用成本降低。3)電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均更加簡(jiǎn)單，大大提高了可靠性。隨著軍品鋰電池制造技術(shù)的民品化、加工工藝的不斷完善及價(jià)格的下降，將鋰電池作為戶用計(jì)量?jī)x表的電源得到各方的認(rèn)可。

3．1．2 硬件電路連接

無線抄表系統(tǒng)的硬件電路主要包括電源、CPU接口電路、EEProm、通信模塊、報(bào)警部分、水表接口電路、無線通信電路等幾個(gè)部分。

系統(tǒng)采用PIC16F873A做為處理器，RB6、RB7電位變化中斷來采集水表脈沖計(jì)數(shù)：RC0、RC1模擬I2C串行接口連接EEProm，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存；RA0、RA1用來指示和連接報(bào)警；RC6、RC7設(shè)置為RX、TX用于串口通信；其它部分及無線通信電路如圖1所示。

nRF905輸出端ANT1、ANT2外接50Ω單天線終端裝置，外圍元器件配置見圖2所示。PCB版面設(shè)計(jì)的地網(wǎng)層在底面，在板上頂層元件的周圍沒有接地面，以確保臨近元件的充分接地，板的頂層接地面通過很多過孔與底面接地網(wǎng)連接，在天線下面沒有接地網(wǎng)，nRF905芯片以及外圍電路部分PCB布板采用最小布板原則。無線通信元器件的選擇都很精密，而且電路布版時(shí)，元器件的擺放，電路走線，通孔等都必須經(jīng)過多次試驗(yàn)才能達(dá)到最好的理想效果。

3．1．3 無線收發(fā)模塊nRF905

nRF905是挪威Nordic公司的產(chǎn)品。該芯片采用+3 VDC供電，面積為5 mmx5 mm，共有32個(gè)外部引腳，具有433／868／915 MHz三波段載波頻率。它由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成，抗擾能力強(qiáng)，支持多點(diǎn)通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)0．1 Mbps。具有特有的ShockBumt信號(hào)發(fā)射模式和發(fā)射信號(hào)載波監(jiān)測(cè)功能，可有效避免數(shù)據(jù)沖突，能夠很容易地通過SPI接口進(jìn)行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dBm時(shí)，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12．5 mA，進(jìn)入POWERDOWN模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。

3．2 軟件設(shè)計(jì)

3．2．1 無線通信協(xié)議

當(dāng)nRF905工作在接收模式時(shí)，引入的數(shù)據(jù)包地址與器件自身地址相同時(shí)，才可以繼續(xù)接收下面的數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)還要遵循一定的數(shù)據(jù)格式，如表1所示。

Addr為發(fā)送單元地址：Payload為有效加載數(shù)據(jù)(包括OffsetAdd偏移地址、RID發(fā)送機(jī)識(shí)別碼、Data數(shù)據(jù))；最后為CRC校驗(yàn)碼。Addr包含4個(gè)字節(jié)，OffsetAdd為一個(gè)字節(jié)，RID包括4個(gè)字節(jié)，Data有7個(gè)字節(jié)(包括發(fā)送機(jī)類型碼、發(fā)送機(jī)狀態(tài)、倍率和4個(gè)字節(jié)的水表計(jì)數(shù)值)。故需要配置nRF905接收和發(fā)送數(shù)據(jù)寬度為14字節(jié)。

接收時(shí)，地址匹配后，nRF905先接收一數(shù)據(jù)包，分別驗(yàn)證OffsetAdd、RID和CRC正確后，再將Payrload數(shù)據(jù)送入微控制器處理；當(dāng)接收機(jī)微處理器判斷Payload中的RID有效時(shí)，繼續(xù)處理后續(xù)數(shù)據(jù)，否則放棄該數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)合法，最后將數(shù)據(jù)存放在偏移地址為OffsetAdd的EEProm存儲(chǔ)器中。

3．2．2 無線模塊初始化

在nRF905模塊中，特殊寄存器RF-Register包含10個(gè)字節(jié)，其配置字內(nèi)容可決定nRF905的工作特性，表2列出本設(shè)計(jì)中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本參數(shù)。

系統(tǒng)的通信模塊器件工作在433 MHz頻段，選用432．4MHz的中心頻率，輸出功率設(shè)置為nRF905所允許的最大功率+10 dBm，以確保通信果。允許自動(dòng)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼，以減小CPU工作負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)通訊時(shí)，各模塊處于正常接收狀態(tài)，收發(fā)使能位TRX_CE=1且方式選擇位TCX_EN=0。在發(fā)送數(shù)據(jù)條件符合后，可由用戶編程修改TX_EN=1使各字節(jié)工作于發(fā)射狀態(tài)。

設(shè)定接收器和所有發(fā)送單元的地址Addr均為OXc5h，這樣，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)接收器和所有發(fā)送單元之間可以互相通訊，其它頻段和其它地址的數(shù)據(jù)包則不會(huì)被接收，從而避免了其它系統(tǒng)的干擾。

3．2．3 功能需求設(shè)計(jì)

1)節(jié)電設(shè)計(jì)

為了達(dá)到電子模塊能夠使用6年以上的目標(biāo)，除了使用大容量鋰電池之外，還需要在軟件方面進(jìn)行降低功耗的設(shè)計(jì)。

首先要降低CPU部分的功耗，CPU有三個(gè)耗電大戶有：第一大戶是懸空的輸入腳，第二大戶為引腳弱上拉時(shí)IO口接地或被置為低電平，第三大戶為BROWN OUT DOWNRESET(電壓過低復(fù)位)功能開啟。在CPU睡眠時(shí)，要將沒有使用的CPU引腳設(shè)為輸入模式并上拉，將被占用的CPU引腳設(shè)為輸入模式或置為某一固定的電平，保證與其電氣連接的部分沒有電流消耗。由于系統(tǒng)電壓過低后會(huì)報(bào)警，提醒用戶電量不足，所以在編程時(shí)將電壓過低復(fù)位功能關(guān)閉掉，可以節(jié)省很大的電能消耗。

通信模塊是最耗電的部分，系統(tǒng)上電，所有初始化工作完成后，CPU則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，同時(shí)將nRF905芯片的PWR_UP引腳置0，關(guān)閉其電源，當(dāng)CPU被計(jì)數(shù)中斷喚醒后，會(huì)查詢是否達(dá)到數(shù)據(jù)發(fā)送條件，若符合條件則將PWR_UP引腳置1，打開通信模塊電源，在處理完數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后，整個(gè)系統(tǒng)重新回到低功耗模式。

2)水表計(jì)量及故障檢測(cè)

水表計(jì)量是RB6和RB7兩個(gè)CPU引腳通過中斷方式采集水表的發(fā)送脈沖，每當(dāng)兩個(gè)引腳先后經(jīng)歷一次電平高低變化，則完成一次正常計(jì)數(shù)采集；若兩個(gè)引腳同時(shí)為0，則水表脈沖計(jì)數(shù)器處于強(qiáng)磁狀態(tài)，CPU會(huì)記下此刻狀態(tài)并發(fā)送到接收器；若某個(gè)脈沖為尖峰脈沖，沒有達(dá)到一定的脈沖寬度值，則視為干擾。

每隔一定時(shí)間系統(tǒng)開啟AD功能，監(jiān)測(cè)電源電壓，一旦電池電壓值跌落到一定程度則啟動(dòng)報(bào)警裝置，通知用戶電量不足，并將低電壓狀態(tài)發(fā)送到接收器通知管理員更換設(shè)備。

3)數(shù)據(jù)可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化要首先檢測(cè)EEProm存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，若正常則加載，否則系統(tǒng)會(huì)使用某一默認(rèn)值。接收器在每次接收到數(shù)據(jù)后都會(huì)和上一次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，符合條件才會(huì)將EEProm數(shù)據(jù)更新。

另外，在通信協(xié)議中，指定了頻段和地址匹配保證通信可靠，數(shù)據(jù)包中的ID號(hào)檢測(cè)和校驗(yàn)碼驗(yàn)證保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié)束語

文中根據(jù)nRF905的工作特點(diǎn)，通過構(gòu)建新的通訊協(xié)議，將其應(yīng)用于無線水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，此方案硬件電路連接簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，各節(jié)點(diǎn)編程具有通用性。系統(tǒng)最終測(cè)試達(dá)到了預(yù)想的性能指標(biāo)，在正常工作狀態(tài)下電子模塊的電流消耗小于1μA，系統(tǒng)對(duì)通信可靠性和數(shù)據(jù)安全性也進(jìn)行了充分的考慮。將系統(tǒng)信號(hào)采樣部分稍加改造，可以應(yīng)用于智能家庭、智能樓宇、溫＼濕度采集、遠(yuǎn)程抄表等各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，因此，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。