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