基于78K0／Lx3的無線智能抄表系統(tǒng)

摘要：為了改善傳統(tǒng)手工抄表方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到保障的方式，適應(yīng)現(xiàn)代科技社會(huì)發(fā)展的需求，而提出采用78K0／Lx3的無線智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該方法省時(shí)、省力、而且準(zhǔn)確；外圍元器件少，便于實(shí)現(xiàn)；同時(shí)對(duì)于現(xiàn)在的水表還能實(shí)現(xiàn)用水管理智能化和人性化，使自來水公司和用戶更加和諧。
關(guān)鍵詞：78K0／Lx3；無線傳輸；遙控接收；頻率控制；工作流程

0 引言
    伴隨著公共事業(yè)(水、電、燃?xì)?在中國的蓬勃發(fā)展，老百姓對(duì)生活環(huán)境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的發(fā)展。作為智能化產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)——智能抄表系統(tǒng)也同時(shí)得到了蓬勃發(fā)展。
    無線抄表來源于20世紀(jì)90年代成立的有線抄表工作組，最初工作組專注于在儀表系統(tǒng)中有線抄表的研究，后來有線抄表成為了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1434的一部分。隨著無線抄表的引入，標(biāo)準(zhǔn)化工作被轉(zhuǎn)移到了技術(shù)委員會(huì)(TC)294，(TC)294創(chuàng)建了新的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13757-Communication System for Meters and Remote Reading of Meters。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前由以下部分組成：
    EN13757-1：2002數(shù)據(jù)交換；
    EN13757-2：2004物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；
    EN13757-3：2004應(yīng)用層；
    EN13757-4：2005無線讀表器；
    prEN13757-5：2007中繼；
    prEN13757-6：2007數(shù)據(jù)交換；
    其中第4部分EN13757-4為無線讀表器，專注儀表和無線讀表器之間的通信。

1 無線抄表系統(tǒng)
    一般的無線抄表系統(tǒng)主要包括兩大類設(shè)備，如圖1所示，一類是儀表(如水表、氣表和電表等)，另一類是其他(如讀表器或集中器等)。
    儀表(氣表、水表等)通常不能直接連接到主供電系統(tǒng)，一般采用電池供電，因此它們獲得的能量是有限的。為了盡量降低功耗，儀表在大多數(shù)時(shí)間處于休眠模式，僅在很短的時(shí)隙中醒來發(fā)射數(shù)據(jù)；而讀表器也從來不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給處于休眠狀態(tài)的儀表。雙向通信是可行的，一般儀表在發(fā)送時(shí)隙完成后，進(jìn)入接收時(shí)隙，這時(shí)讀表器可以傳送信息給儀表。更換儀表的成本相當(dāng)高，因此為儀表供電的電池一般需要提供幾年的能量，不同的國家可能有不同的要求。

    無線抄表的尋址模式來源于有線抄表，僅儀表設(shè)備有地址，并且收發(fā)數(shù)據(jù)采用相同的地址。因此，讀表器必須有一個(gè)儀表設(shè)備地址表，記錄需要處理的所有儀表地址，這個(gè)過程一般在系統(tǒng)安裝階段進(jìn)行。
    通常無線抄表系統(tǒng)(見圖2(d))可以完全替代有線抄表系統(tǒng)(見圖2(a))，但是兩種系統(tǒng)也能組合在一起，形成一個(gè)新系統(tǒng)(見圖2(b)，圖2(c))。

    無線抄表標(biāo)準(zhǔn)(EN13757～4：2005)專注儀表和遠(yuǎn)程無線讀表器之間的通信，利用ISM頻段868～870 MHz進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。NEC電子公司的78K0／Lx3系列以其卓越的功耗輕松滿足水表客戶的嚴(yán)格要求。并且內(nèi)部集成有很多實(shí)用模塊，比如RTC，LCD驅(qū)動(dòng)、LVI檢測(cè)及10 b／16 b A／D轉(zhuǎn)換器等，可以很方便地幫助客戶快速構(gòu)建高性價(jià)比的解決方案。無線抄表整體系統(tǒng)如圖3所示。

2 遙控器接收框圖
    (1)遙控器接收移位寄存器(RMSR)
    遙控器接收框圖如圖4所示。它是用于遙控器數(shù)據(jù)接收的8位寄存器。數(shù)據(jù)首先被存儲(chǔ)在第7位。每次存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)移位到低位。因此，最新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第7位，第一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第0位。

    (2)遙控器接收數(shù)據(jù)寄存器(RMDR)
    此寄存器保存遙控器接收數(shù)據(jù)。當(dāng)遙控器接收移位寄存器(RMSR)溢出時(shí)，RMSR中的數(shù)據(jù)被發(fā)送到RMDR。第7位存儲(chǔ)最后的數(shù)據(jù)，第0位存儲(chǔ)第一個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從RMSR發(fā)送到RMDR的同時(shí)產(chǎn)生INTD-FULL。RMDR由8位存儲(chǔ)器操作指令讀取。
    (3)遙控器移位寄存器接收計(jì)數(shù)器寄存器(RMSCR)
    這是一個(gè)3位計(jì)數(shù)器寄存器，用于在遙控器接收完成(INTREND產(chǎn)生)時(shí)顯示保存在遙控器接收移位寄存器(RMSR)中有效位的序號(hào)。此寄存器的讀取值允許位序號(hào)的確認(rèn)，即使接收到的數(shù)據(jù)不是8位的整數(shù)倍格式。RMSCR由8位存儲(chǔ)器操作指令讀取。
    (4)遙控器接收DLL比較寄存器(RMDLL)
    此寄存器用于檢測(cè)遙控器引導(dǎo)脈沖(長邊)的低電平。RMDLL由8位存儲(chǔ)器操作指令設(shè)置。
    接收模式流程圖如圖5所示。

3 頻率控制
    為了設(shè)定所需的調(diào)諧頻率，需要設(shè)定不同的內(nèi)部寄存器，這可以通過手工計(jì)算每一個(gè)寄存器的設(shè)定值，也可以通過Silicon Labs提供的WDS工具或Excel計(jì)算器輔助計(jì)算。主要進(jìn)行5個(gè)步驟的設(shè)定：
    第1步：選擇或設(shè)定調(diào)制類型，曼徹斯特編碼，晶體精度，數(shù)據(jù)率，頻率差。
    第2步：設(shè)定載波頻率，對(duì)于跳頻應(yīng)用，需要設(shè)定信道寬度和信號(hào)編號(hào)。
    第3步：調(diào)制設(shè)定，對(duì)于GFSK／FSK，需要選擇禁止或使能AFC，接收最大錯(cuò)誤率；對(duì)于OOK，需要設(shè)定RX帶寬。
    第4步：根據(jù)需要選擇FIFO模式設(shè)定或PH+FIFO模式設(shè)定。
    第5步：在寄存器匯總頁中，得到寄存器設(shè)定值。

4 其他功能
    無線抄表方案還具有的基本功能如下：
    基本計(jì)量功能  每0．1 m3寫入一次數(shù)據(jù)。
    LCD顯示功能   顯示錯(cuò)誤信息、報(bào)警水量、剩余水量、透支水量等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。
    購水管理功能  支持出廠預(yù)置、購水、停水、水量查詢、抄表等功能。
    報(bào)警斷水功能  當(dāng)剩余水量達(dá)到報(bào)警水量時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，提示用戶購水。如果剩余水量為0，閥門關(guān)閉，但是重新插卡后，可以在預(yù)置透支水量范圍內(nèi)繼續(xù)用水。如果用戶透支的水量達(dá)到預(yù)置透支水量，則關(guān)閉閥門斷水。
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能  本方案的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有兩種方式，一種是使用E2PROM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另外一種是在NEC電子的FLASH存儲(chǔ)器上可以實(shí)現(xiàn)E2PROM模擬功能，在NEC電子的微控制器內(nèi)置的FLASH存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，達(dá)到和E2PROM同樣的存儲(chǔ)效果。通過NEC電子提供的庫文件能夠方便實(shí)現(xiàn)FLASH存儲(chǔ)器的E2PROM模擬功能。
    節(jié)電功能  將E2PROM和卡座的供電電源關(guān)閉，使其處于睡眠狀態(tài)。NEC電子78K0／Lx3的LCD內(nèi)部分壓電阻阻值為60 kΩ左右，為了進(jìn)一步降低功耗，采用330 kΩ的外部分壓電阻。通過這些辦法，該水表方案在待機(jī)模式下，整機(jī)功耗保持在1．8μA。
    攻擊防止功能  能夠判斷是否被攻擊，如果處于受攻擊狀態(tài)則關(guān)閉閥門。軟件上有很多處理，可以有效防止對(duì)微控制器的干擾。
    透支水費(fèi)計(jì)量  如果因?yàn)橥獠抗艋驒C(jī)械故障等原因閥門無法正常關(guān)閉，在用水時(shí)仍然計(jì)量透支水費(fèi)。
    自動(dòng)除垢功能  每月自動(dòng)開關(guān)閥門兩次，以防止長期不使用的電機(jī)故障。
    電池能力監(jiān)測(cè)  使用內(nèi)部的LVI模塊監(jiān)測(cè)電池電壓，電壓不足時(shí)及時(shí)報(bào)警，并關(guān)閉閥門，LCD上提示更換電池。
    在本方案中暫時(shí)沒使用RTC模塊，但是從未來趨勢(shì)看，階梯式水費(fèi)和管理部門對(duì)水資源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)方面的需求會(huì)越來越多，RTC的使用是大勢(shì)所趨。在國外市場，RTC已經(jīng)是必需模塊。