無線水表自動抄表系統(tǒng)硬件和軟件設計方案

本文論述了目前無線自動抄表技術的發(fā)展狀況，系統(tǒng)采用nRF905構建無線通信模塊，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)硬件和軟件設計方法，采用有效的低功耗設計方案，解決了電池使用壽命低的問題；通過構建合理的通信協(xié)議，保證了通信的可靠性。系統(tǒng)模塊設計具有通用性，適用于各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸領域，具有較高的實用價值。

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)的一個重要技術環(huán)節(jié)，住宅遠傳系統(tǒng)是信息技術發(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已經成熟，關鍵技術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)存在更多的技術難題，這主要體現(xiàn)在抄表終端的設計上。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、設備的耗電情況、設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。如果改為自動抄表系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)應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、房屋結構的屏蔽，還有一些無線信號頻率相近的電波干擾問題。這需要將硬件設計、軟件設計以及現(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 國內外發(fā)展概況

國外已經有了無線抄表系統(tǒng)的應用，大部分已經發(fā)展的很成熟，但是國外產品在國內應用還很少，目前已經有一些國外產品在國內打市場，也有一些國內代理，比如法國CORONIS公司的WAVENIS技術，其技術含量較高，性能比較好。

當前我國住宅遠傳系統(tǒng)是信息技術發(fā)展的一個大趨勢，目前已經形成了一個專門的行業(yè)，就像電視電話一樣，在國內存在著巨大的市場，面對這塊“大蛋糕”，國內一些企業(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，大部分遠傳產品還不能做到跟基表同樣長的使用壽命，產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，戶用計量儀表應能正常工作一段時間，故仍需設計后備電池；若使用外接干電池就必須考慮在電池被取下后能關閥，故電路設計復雜，可靠性降低，將產品的成本轉價到了用戶身上，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)電路及結構設計均更加簡單，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制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調節(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 軟件設計

3．2．1 無線通