基于78K0／Lx3的無線智能抄表系統(tǒng)

摘要：為了改善傳統(tǒng)手工抄表方式費時、費力，準確性和及時性得不到保障的方式，適應現(xiàn)代科技社會發(fā)展的需求，而提出采用78K0／Lx3的無線智能抄表系統(tǒng)的設計方法。該方法省時、省力、而且準確；外圍元器件少，便于實現(xiàn)；同時對于現(xiàn)在的水表還能實現(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、燃氣)在中國的蓬勃發(fā)展，老百姓對生活環(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。作為智能化產業(yè)鏈中的一環(huán)——智能抄表系統(tǒng)也同時得到了蓬勃發(fā)展。
    無線抄表來源于20世紀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準EN1434的一部分。隨著無線抄表的引入，標準化工作被轉移到了技術委員會(TC)294，(TC)294創(chuàng)建了新的歐洲標準EN13757-Communication System for Meters and Remote Reading of Meters。這個標準當前由以下部分組成：
    EN13757-1：2002數據交換；
    EN13757-2：2004物理層和數據鏈路層；
    EN13757-3：2004應用層；
    EN13757-4：2005無線讀表器；
    prEN13757-5：2007中繼；
    prEN13757-6：2007數據交換；
    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，儀表在大多數時間處于休眠模式，僅在很短的時隙中醒來發(fā)射數據；而讀表器也從來不主動發(fā)送數據給處于休眠狀態(tài)的儀表。雙向通信是可行的，一般儀表在發(fā)送時隙完成后，進入接收時隙，這時讀表器可以傳送信息給儀表。更換儀表的成本相當高，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，僅儀表設備有地址，并且收發(fā)數據采用相同的地址。因此，讀表器必須有一個儀表設備地址表，記錄需要處理的所有儀表地址，這個過程一般在系統(tǒng)安裝階段進行。
    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，形成一個新系統(tǒng)(見圖2(b)，圖2(c))。

    無線抄表標準(EN13757～4：2005)專注儀表和遠程無線讀表器之間的通信，利用ISM頻段868～870 MHz進行無線數據傳輸。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格要求。并且內部集成有很多實用模塊，比如RTC，LCD驅動、LVI檢測及10 b／16 b A／D轉換器等，可以很方便地幫助客戶快速構建高性價比的解決方案。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。它是用于遙控器數據接收的8位寄存器。數據首先被存儲在第7位。每次存儲新數據時，存儲數據移位到低位。因此，最新數據存儲在第7位，第一個數據存儲在第0位。

    (2)遙控器接收數據寄存器(RMDR)
    此寄存器保存遙控器接收數據。當遙控器接收移位寄存器(RMSR)溢出時，RMSR中的數據被發(fā)送到RMDR。第7位存儲最后的數據，第0位存儲第一個數據。數據從RMSR發(fā)送到RMDR的同時產生INTD-FULL。RMDR由8位存儲器操作指令讀取。
    (3)遙控器移位寄存器接收計數器寄存器(RMSCR)
    這是一個3位計數器寄存器，用于在遙控器接收完成(INTREND產生)時顯示保存在遙控器接收移位寄存器(RMSR)中有效位的序號。此寄存器的讀取值允許位序號的確認，即使接收到的數據不是8位的整數倍格式。RMSCR由8位存儲器操作指令讀取。
    (4)遙控器接收DLL比較寄存器(RMDLL)
    此寄存器用于檢測遙控器引導脈沖(長邊)的低電平。RMDLL由8位存儲器操作指令設置。
    接收模式流程圖如圖5所示。

3 頻率控制
    為了設定所需的調諧頻率，需要設定不同的內部寄存器，這可以通過手工計算每一個寄存器的設定值，也可以通過Silicon Labs提供的WDS工具或Excel計算器輔助計算。主要進行5個步驟的設定：
    第1步：選擇或設定調制類型，曼徹斯特編碼，晶體精度，數據率，頻率差。
    第2步：設定載波頻率，對于跳頻應用，需要設定信道寬度和信號編號。
    第3步：調制設定，對于GFSK／FSK，需要選擇禁止或使能AFC，接收最大錯誤率；對于OOK，需要設定RX帶寬。
    第4步：根據需要選擇FIFO模式設定或PH+FIFO模式設定。
    第5步：在寄存器匯總頁中，得到寄存器設定值。

4 其他功能
    無線抄表方案還具有的基本功能如下：
    基本計量功能  每0．1 m3寫入一次數據。
    LCD顯示功能   顯示錯誤信息、報警水量、剩余水量、透支水量等多項數據。
    購水管理功能  支持出廠預置、購水、停水、水量查詢、抄表等功能。
    報警斷水功能  當剩余水量達到報警水量時，閥門會自動關閉，提示用戶購水。如果剩余水量為0，閥門關閉，但是重新插卡后，可以在預置透支水量范圍內繼續(xù)用水。如果用戶透支的水量達到預置透支水量，則關閉閥門斷水。
    數據存儲功能  本方案的數據存儲有兩種方式，一種是使用E2PROM來存儲數據，另外一種是在NEC電子的FLASH存儲器上可以實現(xiàn)E2PROM模擬功能，在NEC電子的微控制器內置的FLASH存儲器中存儲數據，達到和E2PROM同樣的存儲效果。通過NEC電子提供的庫文件能夠方便實現(xiàn)FLASH存儲器的E2PROM模擬功能。
    節(jié)電功能  將E2PROM和卡座的供電電源關閉，使其處于睡眠狀態(tài)。NEC電子78K0／Lx3的LCD內部分壓電阻阻值為60 kΩ左右，為了進一步降低功耗，采用330 kΩ的外部分壓電阻。通過這些辦法，該水表方案在待機模式下，整機功耗保持在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)則關閉閥門。軟件上有很多處理，可以有效防止對微控制器的干擾。
    透支水費計量  如果因為外部攻擊或機械故障等原因閥門無法正常關閉，在用水時仍然計量透支水費。
    自動除垢功能  每月自動開關閥門兩次，以防止長期不使用的電機故障。
    電池能力監(jiān)測  使用內部的LVI模塊監(jiān)測電池電壓，電壓不足時及時報警，并關閉閥門，LCD上提示更換電池。
    在本方案中暫時沒使用RTC模塊，但是從未來趨勢看，階梯式水費和管理部門對水資源消費統(tǒng)計方面的需求會越來越多，RTC的使用是大勢所趨。在國外市場，RTC已經是必需模塊。