基于nRF905的無線水表自動抄表系統(tǒng)設(shè)計

摘要：論述了目前無線自動抄表技術(shù)的發(fā)展狀況，系統(tǒng)采用nRF905構(gòu)建無線通信模塊，實現(xiàn)了無線方式的自動抄表，解決了人工抄表費時費力的現(xiàn)狀。文章闡述了無線水表自動抄表系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方法，采用有效的低功耗設(shè)計方案，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，具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞：水表自動抄表；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)計中引進了智能化居住小區(qū)的理念，以提高居民的生活質(zhì)量，自動抄表系統(tǒng)也是智能化居住小區(qū)的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)，住宅遠傳系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個大趨勢，無線水表抄表系統(tǒng)正是其中的一個重要部分。
    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的不同這幾種通信方式必將共存一個時期。電力線載波方式在傳輸可靠性方面的問題很長一段時期內(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，仍然費時費力；無線方式則以安裝和維護難度低、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)展的一個必然趨勢。

1 概述
1．1 無線水表抄表系統(tǒng)簡介
    無線水表抄表系統(tǒng)是水表單元定時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，然后在由抄表終端或者GPRS等方式集中抄走的一種自動化集中抄表系統(tǒng)。它比傳統(tǒng)的手工抄表相比有如下優(yōu)勢：1)工作效率上得到極大的提高，并且保證數(shù)據(jù)準確可靠。2)能及時的發(fā)現(xiàn)水表故障，減少損失。3)系統(tǒng)運行成本低，大大減少了手工抄表所用的人力物力、出車等費用。4)抄表時間靈活，不受用戶制約，避免了手工抄表員入戶難的問題。5)具有自動報警功能，及時發(fā)現(xiàn)非法用水和盜水等現(xiàn)象。
1．2 工作原理
    無線遠傳水表正常狀態(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，即當水表的電子計數(shù)每積累到一定量的時候(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)，此時水表的數(shù)據(jù)更新，水表電子單元將當前的水表脈沖計數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，發(fā)送完畢后，繼續(xù)恢復(fù)到正常待機狀態(tài)的低功耗模式。水表采樣標準的脈沖信號，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)計上。歸納起來，水表的抄表終端必須解決以下幾個方面的問題：
    1)供電 由于水表的抄表終端采用電池供電，因此，對功耗要求非常苛刻，經(jīng)常性的更換電池也是不現(xiàn)實的。一般而言，電池的使用時間至少要達到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、防水方面仔細考慮，要能夠在這樣的環(huán)境下長時間正常工作。
    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，對于成本更為敏感。這里的成本包括兩個部分：第一，一次性改造或者安裝的成本；第二，系統(tǒng)的運行成本。最好的方案應(yīng)當是一次性投入的成本盡可能低，運行成本沒有或者非常低。
    4)對水表的故障檢測 人工抄表除了抄讀水表讀數(shù)外，同時還擔負著檢查水表工作是否正常的任務(wù)。如果改為自動抄表系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)應(yīng)當也具備對水表故障的自動檢測功能。當然，這需要水表與抄表終端的配合才能實現(xiàn)。
    5)計量的準確性、通信的可靠性 這是無線抄表系統(tǒng)的最基本的要求，但同時又是不很容易解決定問題。因為無線通信很容易受到一些金屬、房屋結(jié)構(gòu)的屏蔽，還有一些無線信號頻率相近的電波干擾問題。這需要將硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及現(xiàn)場配置綜合起來考慮，將系統(tǒng)通信可靠性能達到最高。
    6)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)安全 目前沒有一個通用的無線通信協(xié)議出臺，這樣不同的無線設(shè)備就不能做到相互兼容，需要自己定義一個比較合理的通信協(xié)議；另外無線通信的頻段相對較為固定，很容易被檢測到，這就需要在數(shù)據(jù)安全方面加強防范措施。

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，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。
    當前我國住宅遠傳系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個大趨勢，目前已經(jīng)形成了一個專門的行業(yè)，就像電視電話一樣，在國內(nèi)存在著巨大的市場，面對這塊“大蛋糕”，國內(nèi)一些企業(yè)爭先恐后的加入，但是系統(tǒng)的可靠性和兼容性還不夠完善，大部分遠傳產(chǎn)品還不能做到跟基表同樣長的使用壽命，產(chǎn)品使用年限到達后如何解決也是一個問題。
    在水行業(yè)的信息化過程中，戶表數(shù)據(jù)的自動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)的準確性、及時性直接影響到行業(yè)單位的信息化水平、管理決策、經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的手工抄表費時、費力，準確性、及時性等都得不到可靠的保證，特別對于地域廣闊、戶表分散的地區(qū)，人工抄表更是費用高昂、效率低下，行業(yè)的實際需求催生著自動抄表系統(tǒng)的出現(xiàn)。

3 系統(tǒng)解決方案
3．1 硬件設(shè)計
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，戶用計量儀表應(yīng)能正常工作一段時間，故仍需設(shè)計后備電池；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)計復(fù)雜，可靠性降低，將產(chǎn)品的成本轉(zhuǎn)價到了用戶身上，使用費用大大提高，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、貯存時間長等特點，將鋰電池作為一個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，不會出現(xiàn)電壓突然下降的情況，故只需有電池電壓檢測電路，而不需掉電保護電路。
    系統(tǒng)采用鋰電池方案的優(yōu)點有：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)計均更加簡單，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格的下降，將鋰電池作為戶用計量儀表的電源得到各方的認可。
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、報警部分、水表接口電路、無線通信電路等幾個部分。
    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數(shù)：RC0、RC1模擬I2C串行接口連接EEProm，進行數(shù)據(jù)保存；RA0、RA1用來指示和連接報警；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，元器件的擺放，電路走線，通孔等都必須經(jīng)過多次試驗才能達到最好的理想效果。
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個外部引腳，具有433／868／915 MHz三波段載波頻率。它由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成，抗擾能力強，支持多點通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達0．1 Mbps。具有特有的ShockBumt信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效避免數(shù)據(jù)沖突，能夠很容易地通過SPI接口進行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dBm時，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12．5 mA，進入POWERDOWN模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電。
3．2 軟件設(shè)計
3．2．1 無線通信協(xié)議
    當nRF905工作在接收模式時，引入的數(shù)據(jù)包地址與器件自身地址相同時，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)送機識別碼、Data數(shù)據(jù))；最后為CRC校驗碼。Addr包含4個字節(jié)，OffsetAdd為一個字節(jié)，RID包括4個字節(jié)，Data有7個字節(jié)(包括發(fā)送機類型碼、發(fā)送機狀態(tài)、倍率和4個字節(jié)的水表計數(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，地址匹配后，nRF905先接收一數(shù)據(jù)包，分別驗證OffsetAdd、RID和CRC正確后，再將Payrload數(shù)據(jù)送入微控制器處理；當接收機微處理器判斷Payload中的RID有效時，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。允許自動產(chǎn)生CRC校驗碼，以減小CPU工作負擔。系統(tǒng)通訊時，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
    1)節(jié)電設(shè)計
    為了達到電子模塊能夠使用6年以上的目標，除了使用大容量鋰電池之外，還需要在軟件方面進行降低功耗的設(shè)計。
    首先要降低CPU部分的功耗，CPU有三個耗電大戶有：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，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)電壓過低后會報警，提醒用戶電量不足，所以在編程時將電壓過低復(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則進入睡眠狀態(tài)，同時將nRF905芯片的PWR_UP引腳置0，關(guān)閉其電源，當CPU被計數(shù)中斷喚醒后，會查詢是否達到數(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，整個系統(tǒng)重新回到低功耗模式。
    2)水表計量及故障檢測
    水表計量是RB6和RB7兩個CPU引腳通過中斷方式采集水表的發(fā)送脈沖，每當兩個引腳先后經(jīng)歷一次電平高低變化，則完成一次正常計數(shù)采集；若兩個引腳同時為0，則水表脈沖計數(shù)器處于強磁狀態(tài)，CPU會記下此刻狀態(tài)并發(fā)送到接收器；若某個脈沖為尖峰脈沖，沒有達到一定的脈沖寬度值，則視為干擾。
    每隔一定時間系統(tǒng)開啟AD功能，監(jiān)測電源電壓，一旦電池電壓值跌落到一定程度則啟動報警裝置，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
    系統(tǒng)初始化要首先檢測EEProm存儲器中的數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，若正常則加載，否則系統(tǒng)會使用某一默認值。接收器在每次接收到數(shù)據(jù)后都會和上一次數(shù)據(jù)進行比較，符合條件才會將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號檢測和校驗碼驗證保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié)束語
    文中根據(jù)nRF905的工作特點，通過構(gòu)建新的通訊協(xié)議，將其應(yīng)用于無線水表自動抄表系統(tǒng)，此方案硬件電路連接簡單，易于調(diào)試，各節(jié)點編程具有通用性。系統(tǒng)最終測試達到了預(yù)想的性能指標，在正常工作狀態(tài)下電子模塊的電流消耗小于1μA，系統(tǒng)對通信可靠性和數(shù)據(jù)安全性也進行了充分的考慮。將系統(tǒng)信號采樣部分稍加改造，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，具有較高的實用推廣價值。