無線抄表系統(tǒng)的設計方法及可靠性策略

長期以來，三表數(shù)據(jù)抄送問題都是相關供應部門非常想解決但又得不到切實解決的問題。在行業(yè)信息化過程之中，戶表數(shù)據(jù)的自動化抄送具有非常重大的意義，因為戶表數(shù)據(jù)是相關行業(yè)銷售過程中最原始的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)的準確度和及時性直接影響了行業(yè)內(nèi)部其它信息化水平。

傳統(tǒng)的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導致了相關營銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數(shù)據(jù)。一般手工抄表都按月抄表，對于用戶計量來說是可行的，但對于相關供應部門進行更深層次的分析和管理決策卻不夠。

圖1：無線抄表的一個節(jié)點原理框圖。

無線抄表系統(tǒng)對無線通訊數(shù)據(jù)的傳輸和保存有著很高的要求，即數(shù)據(jù)可靠性要求很高。由于用電池供電，因此對功耗要求也很苛刻。無線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的辦法，利用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)?；谝陨显颍惸芸萍奸_發(fā)出了BN-CB-100自動無線遠傳抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有計量準確、通信可靠、抄表方便、功耗低等遠程抄表系統(tǒng)的優(yōu)點，以及節(jié)省人力、遠程監(jiān)控、遠程維護的功能。

無線數(shù)字抄表系統(tǒng)由中央處理器、電源模塊、通訊模塊以及顯示模塊等部分組成，如圖1所示。下面將對組成系統(tǒng)的主要模塊進行說明。

單片機：數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元的單片機主要側重于多項功能的開發(fā)，選擇時主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個方面考慮。本系統(tǒng)采用Microchip單片機PIC18LF6490作為數(shù)據(jù)處理單元，該單片機具有以下特點：具有集成的LCD控制器驅動模塊、高性能RISC CPU、優(yōu)化的C編譯器結構/指令系統(tǒng)、高達10MIPS的工作速度、中斷優(yōu)先級、單周期硬件乘法器、高吸入/拉出電流、3個外部中斷引腳、4個定時器、CCP模塊、主同步串行端口模塊、10位A/D轉換器和低功耗等性能特點，因而軟硬件設計十分方便。

液晶顯示

顯示采用LCD液晶顯示器，PIC18LF6490具有集成的LCD控制器驅動模塊，從而節(jié)省了外掛的液晶驅動芯片，減少了外部引線，節(jié)省了空間和成本，提高了可靠性，在睡眠狀態(tài)下可繼續(xù)顯示，明顯地降低了功耗。液晶顯示器用于顯示系統(tǒng)當前的狀態(tài)、內(nèi)部參數(shù)及當前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

RF模塊

1. RF模塊的特點

本方案采用納川容科技研制的RF模塊產(chǎn)品，該模塊采用高性能CPU和高性能無線數(shù)傳模組內(nèi)核整合而成，其主要特點包括：

標準異步串行接口(UART：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個以上停止位、0或1個校驗位)，方便與各種控制器的硬件串口連接，使用起來非常方便；

數(shù)據(jù)直接傳輸，自動靜噪，過濾掉空中假數(shù)據(jù)，所收即所發(fā)；

半雙工通信，收發(fā)自動切換，使用上非常方便；

模塊內(nèi)置高性能MCU實現(xiàn)前向糾錯處理，通信可靠性大大提高，誤碼率非常低；

可以硬件跳線選擇多個獨立互不干擾信道，有多檔波特率及串口模式設置；

可以串口軟件設置無線頻道，實現(xiàn)軟件跳頻；

3.3V/5V兼容TTL、RS232、RS485多種接口電平選擇，使用更加靈活；

DC3.0－8.0V寬工作電壓，電源可以I/O控制關斷，降低功耗。

由于采用軟件糾錯編碼增益，相同輻射功率條件和同一誤碼率指標下，帶前向糾錯處理的RF模塊通信距離要遠高于一般的無線數(shù)傳模組或不帶前向糾錯處理的RF模塊。

2． RF模塊的通信處理流程

RF模塊的通信處理流程如圖2所示，其中：

發(fā)送緩沖與接收緩沖是為了匹配用戶接口和無線接口速率而設計，采用FIFO方式，支持大批量連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠；

糾錯編解碼采用成熟的卷積碼糾錯技術，可以將誤碼率由10^-3減小到10^-6，并且有3dB左右軟件編碼增益，進一步提高了傳輸?shù)目煽啃裕?

交織的目的是為了將連續(xù)的錯誤離散成不連續(xù)的單比特錯誤，提高抗連續(xù)干擾的能力，但帶來了傳輸延時。RF模塊采用256比特，即16×16交織，可以抵抗一般人員走動、汽車通過等環(huán)境下對無線傳輸造成的誤碼干擾，由此引起的傳輸延遲在用戶接口速率為9,600bps時約20ms，使用時應予以注意；

信號編解碼的目的是將信號輻射功率譜集中，并有利于接收機信號解碼；

卷積碼前向糾錯處理的方式比ARQ差錯控制方式效率要高，尤其是在隨機干擾比較大的情況下，由于其良好的糾錯性能，效率要遠高于ARQ模式。例如，ARQ方式下，傳輸一個256比特的數(shù)據(jù)包，如果其中一個比特錯誤就需要重傳，而采用卷積碼前向糾錯處理的方式，16×16交織的RF模塊，即使其中連續(xù)16比特傳輸錯誤，接收方也可以通過軟件糾正過來，用戶不會收到誤碼，這樣效率更高。

3．RF模塊的天線

使用焊盤引線來連接天線的模組，一般建議使用微型的PCB天線或直導線來做天線，直接將天線引出線焊接在模組的天線焊盤上，天線引出線的長度越短越好。天線地根據(jù)天線的要求可接可不接，但PCB天線一般要求接地。

使用直導線做天線時，請使用5N(99.999%)以上優(yōu)質硬直銅導線，線徑越粗越好，一般使用普通的單根百兆以太網(wǎng)網(wǎng)線做天線即可取得比較好的效果。

使用直導線做天線時，天線長度=7,150/工作頻率，單位為厘米。所計算出的天線長度是天線直立的長度，如果天線放在殼體里或盤繞起來，天線所需長度將變化，推薦的做法是用計算長度1.5倍長度導線做天線，然后剪斷5mm(這是個經(jīng)驗值，可以根據(jù)實際測試通信距離來確定這個值)，縮短天線長度，實際測試通信距離來確定最佳天線長度。

如果天線需要在設備殼體上穿孔引出時，請使用50Ω低損同軸電纜或標準SMA接頭延長線將天線延長引出，同軸電纜芯線與模組天線焊盤焊接，屏蔽層與天線地(沒有天線地時用電源地)焊接，選擇彎曲半徑小的電纜將有利于電纜的彎曲布置，使焊盤不易撕裂。

圖2：RF模塊的通信處理流程

亦可用直角頭SMA接頭將RF模塊的SMA引出頭折彎，直接安裝在殼體上或穿出，但直角頭SMA將額外引入1-2dB的插入損耗。

使用拉桿天線時，直接將拉桿天線焊接在天線焊盤上或用低損同軸電纜來連接，電纜的芯線連接模組的天線焊盤和拉桿天線，屏蔽層一端焊接在天線地上，靠近拉桿天線一端浮空。

4．RF模塊的注意事項

不要帶電熱拔插RF模塊，否則很容易損壞RF模塊；

組網(wǎng)協(xié)議設計中，務必保證在一個頻點上，且同一時刻只能有一個RF模塊處在發(fā)射狀態(tài)，建議設計時通信協(xié)議設計采用ARQ主從查詢應答方式；

使用低紋波的線性穩(wěn)壓電源或電池供電，盡量不要使用開關電源，如果一定要用，請用高Q值的LC回路濾波，將紋波降到最低；

關于距離指標，不同的測試環(huán)境會產(chǎn)生不同的結果，主要影響因素包括：發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速率、干擾強度、背景噪聲、天線增益、天線離地高度、是否移動、空間衰減、障礙物尺寸及位置等；

10mW帶卷積碼前向糾錯處理方式的RF模塊，在9,600bps速率、天線高度2米、增益2.0dBi、可視城區(qū)開闊地、傳輸文件、誤碼率為10^-3情況下，可靠通信距離可以達到300-400米左右。

可靠性策略

本系統(tǒng)需要長期在線連續(xù)運行，故對其可靠性和長期穩(wěn)定性有較高的要求，在設計時予重點考慮。本系統(tǒng)采用集成芯片作為電路的核心部分大大減少了外擴電路的接線和使用的元器件的數(shù)目，使整機趨于微型化，也提高了整機的可靠性。

設計電路板時注意線的走向以及整機的緊湊性，在電路和工藝設計上采用各種成熟的實用抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點、弱信號傳輸線屏蔽層單端接地、單元電路的封閉式屏蔽環(huán)等，以降低干擾水平。

重要數(shù)據(jù)進行多次備份，實時刷新處理，使用存儲容量大的EEPROM來備份RAM數(shù)據(jù)。避免由于干擾造成的數(shù)據(jù)出錯，EEPROM的數(shù)據(jù)可以保持10年以上，數(shù)據(jù)保持不需后備電源。軟件寫入EEPROM采取必要的校驗方式，保證數(shù)據(jù)的安全性。

PIC18LF6490具有極強的抗電磁干擾能力，使數(shù)據(jù)的安全性得到進一步的提高。

由于本系統(tǒng)用電池供電，對功耗要求較高，在整個系統(tǒng)的軟硬件設計時應引起足夠的重視，例如元器件的選型，元器件的供電方式是用I/O供電還是直接用電源供電，單片機的選型等都是功耗能否降低的重要因素，當然軟件設計也是決定功耗能否降低的重要因素，此部分在軟件設計部分論述。

軟件設計

軟件部分設計包括了主控程序、數(shù)據(jù)通訊程序、時鐘程序、自檢程序等，由于本系統(tǒng)對功耗要求較高，軟件設計過程應始終貫穿考慮功耗因素，功耗能否降低，軟件設計是重要因素之一。具體做法可以是主程序主要處在睡眠狀態(tài)，隔一段時間醒過來處理一下任務，一直如此循環(huán)，沒使用的模塊關掉，沒使用的I/O口設置成高阻態(tài)等。這樣一來，軟硬結合便可讓整個系統(tǒng)功耗降下來。

重要的寄存器和I/O口都必須放在主程序里去刷新，使用看門狗(PIC18LF6490有內(nèi)置看門狗電路)，軟件編寫應有一定的容錯措施，自檢程序應能及時檢出錯誤并糾錯等，這樣可以進一步提高系統(tǒng)的可靠性，避免寄存器數(shù)據(jù)亂了、程序跑飛等事先無法預計的現(xiàn)象。

本文小結

本文對一種無線抄表的設計方法和可靠性策略進行了論述，系統(tǒng)中采用了功能強大且性價比極高的單片機、高性能RF模塊、數(shù)據(jù)通信等技術，具有長時間存儲數(shù)據(jù)和遠方無線傳輸數(shù)據(jù)等功能。考慮產(chǎn)品化的要求，進行了可靠性、抗干擾、低功耗等方面的設計。