基于PICl6F628A芯片的無線遠(yuǎn)傳水表設(shè)計(jì)方案

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，住宅商品化發(fā)展迅速，住宅水、電、氣、熱表的抄表和收費(fèi)問題日益突出。如何有效解決入戶抄表收費(fèi)的技術(shù)問題，提供一個(gè)合理、完整、系統(tǒng)的實(shí)施管理方案，需要企業(yè)、科研和公用事業(yè)管理部門共同努力。目前，住宅水、電、氣、熱表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)形式多樣，但市場比較混亂，技術(shù)上尚不成熟，沒有一個(gè)被市場認(rèn)可的完整系統(tǒng)實(shí)施管理方案。傳統(tǒng)的有線抄表系統(tǒng)布線復(fù)雜、可靠性差、維護(hù)困難，難以實(shí)現(xiàn)管理升級，不能滿足舊樓系統(tǒng)改造的市場要求；而新興GPRS、短信GSM網(wǎng)絡(luò)抄表方式使用成本昂貴，不適宜大面積推廣。

無線智能遠(yuǎn)傳水表系統(tǒng)以其安裝便利、維護(hù)快捷、不受安裝環(huán)境和布線限制等優(yōu)點(diǎn)，成為了水表行業(yè)智能管理的主導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般由四部分組成，即自來水公司微機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)下載器（手抄機(jī)）、數(shù)據(jù)集中器、無線遠(yuǎn)傳智能水表。其中無線智能遠(yuǎn)傳水表是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，是信息的產(chǎn)生單元。它一般是在原基表的基礎(chǔ)上，加裝新型傳感器和控制電路板構(gòu)成。

1 無線智能遠(yuǎn)傳水表實(shí)現(xiàn)的功能

無線通信在用戶的使用環(huán)境中容易受到外界環(huán)境的影響，比如說小區(qū)樓棟之間的環(huán)境，小區(qū)樓層的高矮，樓棟之間的距離，城市無線通信環(huán)境的干擾源，小區(qū)房型結(jié)構(gòu)等都有很大程度上的影響。因此，表具的安裝，樓棟集中器的安裝，小區(qū)集中器的安裝，特別是樓棟集中器的無線通信天線，小區(qū)集中器無線通信天線。如果采用手抄器抄取樓棟集中器，樓棟集中器可安裝在樓道內(nèi)，天線可引道戶外。如果采用小區(qū)集中器采取樓棟集中器，樓棟集中器建議安裝在樓頂。安裝在樓頂?shù)募衅骺刹捎锰柲芑?20V市電供電。

通過分析確定無線智能遠(yuǎn)傳水表應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：自動定時(shí)或定量上報(bào)水量功能；根據(jù)集中器命令控制水表閥門開關(guān)功能；自動報(bào)告遠(yuǎn)傳水表被破壞或受干擾、用水量異常（過大或過小）、電池電能不足的功能；按管理部門的需要進(jìn)行參量設(shè)制功能。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

無線智能遠(yuǎn)傳水表的無線通信頻率選擇公用頻段（ISM頻段）。該表采用電池供電，保證市電停電時(shí)，不影響表具對信息的采集和存儲。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，電池的使用壽命大于6年，因此整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要充分考慮耗電量問題。電池選擇高能鋰電池，通過選擇低功耗器件、設(shè)定精密的微功耗工作方式來確保電池的使用壽命。通過采用雙傳感器、軟件糾錯(cuò)、抗干擾技術(shù)、加密技術(shù)來保障數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

2.1 無線智能遠(yuǎn)傳水表的組成單元及功能

無線智能遠(yuǎn)傳水表主要包括以下單元：單片機(jī)、輸入采集、無線數(shù)傳、電源、閥門控制、電壓檢測單元。

2.2 各單元電路的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 輸入信號采集單元

傳感器選擇接觸阻抗低、無待機(jī)功耗、可靠性好的小型干簧管。作為磁傳感器，在磁鐵進(jìn)入干簧管吸合臨界區(qū)的時(shí)候，干簧管會產(chǎn)生多次吸合，導(dǎo)致重復(fù)計(jì)量。為了提高計(jì)量的準(zhǔn)確性和抗干擾性，在產(chǎn)品中采用雙傳感器設(shè)計(jì)。無論單個(gè)傳感器吸合多少次都按照吸合一次計(jì)算，只有兩個(gè)傳感器各吸合一次才算是一次有效計(jì)量。本設(shè)計(jì)計(jì)量單位為0.1t.當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)吸合時(shí)，認(rèn)為是外界強(qiáng)磁干擾，水表執(zhí)行關(guān)閉閥門動作。設(shè)置單片機(jī)RB0、RB4引腳作為檢測端。

2.2.2 單片機(jī)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)選擇的是是Microchip公司生產(chǎn)的功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、編程調(diào)試方便、價(jià)格低的PICl6F628A芯片。該單片機(jī)為精簡指令集型處理器（RISC），共有35條匯編指令，使用起來簡捷有效。PICl6F628A共有18個(gè)引腳，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V,外接晶振最大可以達(dá)到20 MHz.其內(nèi)部資源非常豐富，含有2 KB的Flash程序存儲器、224B的數(shù)據(jù)存儲器、2個(gè)模擬比較器、1個(gè)PWM控制器、1個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)8位定時(shí)器，以及上電啟動電路、掉電復(fù)位電路和看門狗電路等。PICl6F628A還能夠響應(yīng)定時(shí)器、比較器、RB端口等多種硬件中斷合理地使用這些資源可以有效簡化外圍電路，降低產(chǎn)品的成本。為了降低整機(jī)的功耗，定時(shí)器1的時(shí)鐘脈沖選擇片外晶體振蕩電路，晶體頻率是32.768k,配諧電容為22p,內(nèi)部采用8分頻，這樣當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為24225個(gè)時(shí)（5FH,0FFH），定時(shí)時(shí)間達(dá)到10s.

2.2.3 無線數(shù)傳單元的設(shè)計(jì)

無線數(shù)傳芯片選擇的是高集成度、多通道的RF收發(fā)芯片CC1100,該芯片控制方便、功能強(qiáng)大、體積小、價(jià)格低、功耗低、抗干擾性強(qiáng)。CC1100的引腳SPI_SCK連接單片機(jī)引腳RAl（輸出）；SPI_SI連接單片機(jī)RA2引腳（輸出）；SPI_SO連接單片機(jī)RA3引腳（輸入）；SPI_CS連接單片機(jī)RA6引腳（輸出）；GDO0連接單片機(jī)RA7引腳（輸入）。

CC1100的軟件設(shè)計(jì)主要是利用TI公司提供的對該芯片的內(nèi)部寄存器設(shè)置軟件Smart Studio對CC1100控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，在軟件參數(shù)配置時(shí)要注意選擇輸出功率為10dBm,中心頻率為433.92MHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為10kbps,將這些主要參數(shù)輸入后，專用配置軟件將CCll00所有的控制寄存器的參數(shù)值自動換算到該芯片的最優(yōu)化設(shè)置，將這些參數(shù)通過單片機(jī)，按照約定的地址寫入到CC1100特定寄存器，就可保證CCll00穩(wěn)定可靠地工作。在程序設(shè)計(jì)中要定期刷新CC1100控制寄存器的設(shè)置，防止寄存器中的內(nèi)容在強(qiáng)烈外界干擾環(huán)境中改變，使芯片不能正常工作。CC1100的軟件設(shè)計(jì)要注意，在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中要關(guān)閉其它附屬設(shè)備的工作狀態(tài)，保持傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2.4 閥門控制單元的設(shè)計(jì)

驅(qū)動電磁閥開關(guān)的芯片選擇的是L9110芯片。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運(yùn)動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5A;同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，驅(qū)動性能安全可靠。單片機(jī)RB5引腳設(shè)置為關(guān)閥控制；RB3引腳設(shè)置為開閥控制；RB2引腳設(shè)置閥門開到位判斷；RBl引腳設(shè)置閥門關(guān)到位判斷。

2.2.5 電源電壓檢測元件的選擇與設(shè)計(jì)

電壓檢測芯片選擇的是小功率的MCPlll芯片。當(dāng)電源電壓高于檢測電壓時(shí)，MCPlll輸出保持高電平；若低于檢測電壓時(shí)輸出將變?yōu)榈碗娖?，提醒電源電量的不足。設(shè)置單片機(jī)引腳RA5為電源電壓檢測輸入引腳，低電平有效。該產(chǎn)品設(shè)定MCPlll的檢測電壓為3V;在檢測到電池電壓低提出報(bào)警后，仍能保證控制電路板正常工作三個(gè)月以上，為更換電池提供時(shí)間余量。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能無線遠(yuǎn)傳水表的軟件采取模塊化設(shè)計(jì)，程序主要有以下主子程序組成：主程序模塊、定時(shí)中斷處理程序模塊、水量采樣處理程序模塊、接收無線數(shù)據(jù)處理程序模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射程序模塊。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

智能無線遠(yuǎn)傳水表上電后，系統(tǒng)軟件逐個(gè)檢測各個(gè)功能模塊的工作狀態(tài)。主要包括傳感器模塊檢測、定時(shí)器模塊檢測、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測、特別是對CCll00的工作參數(shù)設(shè)置以及設(shè)置完成的結(jié)果檢測，這些模塊檢測正常后系統(tǒng)檢測燈熄滅，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)。進(jìn)入低功耗工作的系統(tǒng)只有靠中斷才能開啟。開啟系統(tǒng)由低功耗進(jìn)入工作狀態(tài)的方式有兩種：一種是當(dāng)有傳感器信號進(jìn)入時(shí)，傳感器信號開啟中斷系統(tǒng)；另一種是定時(shí)器時(shí)間到后開啟中斷系統(tǒng)。開啟后的系統(tǒng)執(zhí)行完中斷的操作后回到低功耗模式。

3.2 定時(shí)中斷處理程序設(shè)計(jì)

定時(shí)啟動時(shí)間是10s一次，啟動以后主要功能是：開啟接收機(jī)接收查看是否有無線電信號進(jìn)來。如果沒有，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，如果有，則判斷是不是協(xié)議規(guī)定的命令。如果是規(guī)定的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，否則關(guān)閉接收機(jī)，進(jìn)入低功耗。定時(shí)24小時(shí)自動發(fā)射數(shù)據(jù)一次，定時(shí)一個(gè)月"洗閥"一次。

3.3 水量采樣處理程序設(shè)計(jì)

當(dāng)水表的傳感器有信號來的時(shí)候，經(jīng)軟件濾波后判斷是否為有效信號。若是無效信號則直接退出中斷，若為有效信號時(shí)就進(jìn)行計(jì)數(shù)和水量運(yùn)算，運(yùn)算后將數(shù)據(jù)存儲在單片機(jī)內(nèi)部的存儲器內(nèi)。分析是否達(dá)到發(fā)射水量，達(dá)到發(fā)射水量則發(fā)射數(shù)據(jù)，否則退出中斷。

3.4 接收無線數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

設(shè)置CC1100為接收狀態(tài)，若有接收信號，則等待接收數(shù)據(jù)，讀CC1100寄存器中的接收數(shù)據(jù)。讀完規(guī)定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，判斷數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)正確，依據(jù)規(guī)定的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作；否則退出接收狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過對無線遠(yuǎn)傳智能水表進(jìn)行的供電參數(shù)、無線電性能、信號輸出測試、控制功能測試、水表性能測試，其主要參數(shù)全部達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)時(shí)要求的技術(shù)指標(biāo)和性能。本系統(tǒng)方案采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，可方便實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)儀表的數(shù)據(jù)出戶、集中及統(tǒng)一管理，系統(tǒng)成本低、可靠性高、易于擴(kuò)展、方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，有效地解決了住宅水、電、氣、熱表的抄表和收費(fèi)問題，具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。