低功耗無線水表數(shù)據(jù)采集通信終端的設(shè)計和研究

任子真，宗麗雯

(沈陽化工大學 計算機科學與技術(shù)，遼寧 沈陽 110142)

中國是世界上缺水國家之一，人均水資源量為2 238.6 m3，僅相當于世界人均占有量的 1/4，是世界人均水資源極少的13個貧水國之一[1]。而在現(xiàn)代化工業(yè)中，工業(yè)用水量急劇增加，水資源供需矛盾將更為突出，缺水已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的制約因素。為了提高我國工業(yè)的節(jié)水率，及時發(fā)現(xiàn)深埋在地下的水管道漏水現(xiàn)象，研究并設(shè)計了一種能深埋地下的無線抄表終端。

1 總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集通信終端長期深埋在地下，就要求抄表終端功耗低、抗干擾性好、通信距離遠和防潮性強。綜合以上要點，終端結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 抄表終端結(jié)構(gòu)框圖

為了降低抄表終端功耗，數(shù)據(jù)采集通信終端采用了超低功耗處理器Atmega128L和低功耗集成射頻芯片CC1020。由于終端在地下，供電可以采用布線到地下或者是在終端安裝電池兩種方法。但是兩種方法各有弊端。如果布線到地下，不僅施工費力、浪費資源，而且供電電壓要在36 V防爆電壓以下，大大增加了布線的難度；如果在終端安裝電池，就會帶來定期更換電池的麻煩。由于設(shè)計的數(shù)據(jù)采集通信終端盡可能做到了節(jié)約用電量，所以由實驗分析得到了電池更換周期大約是10年。在抗干擾方面主要做到四點：(1)硬件設(shè)計細化了無線射頻模塊與Atmega128L間的布局走線；(2)電池加裝了濾波器，以減少電源噪聲對芯片的干擾；(3)讓晶振與芯片引腳盡量靠近，并用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定；(4)在無線部分加用屏蔽罩進行電磁屏蔽提高系統(tǒng)的抗干擾性。為了解決地下潮濕給終端節(jié)點帶來的損壞問題，整個終端節(jié)點的外觀粘上一層防水膠，以達到IP68防水標準。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

自動抄表系統(tǒng)擔負著各水表數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，并根據(jù)需要向上一級發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊選用無源直讀式水表的原因是其低功耗。無源直讀式水表的優(yōu)點是系統(tǒng)平時不工作、不用電、無功耗(所以稱無源)；抄表時讀取的是水表實時字輪數(shù)字(所以稱直讀)。水表計數(shù)器如圖2所示，字輪側(cè)剖圖如圖3所示。

其原理是在每一位字輪的一側(cè)設(shè)置固定的光電發(fā)射源(如圖 3中，發(fā)射源發(fā)射出的光通過透光孔(圖 3中，被位于字輪另一側(cè)固定的接收管(圖 3中接收到。將接收到的信號通過信息編碼識別技術(shù)，識別出字輪上0~9這10個數(shù)字。計算機中的信息編碼識別技術(shù)用4個bit位就可以表示10個數(shù)字，但由于海明編碼規(guī)則還應(yīng)該增加1個bit位用于校驗，所以每個字輪應(yīng)有5對光電發(fā)射源和接收管以及字輪上的5個數(shù)字有透光孔。其實際上是利用多個接收點的不同位置狀態(tài)來判斷字輪轉(zhuǎn)到了什么數(shù)的位置，從而確定所對應(yīng)的數(shù)據(jù)[2]。即：當發(fā)射源和接收管之間處于不透光的位置時，感應(yīng)裝置輸出的信號設(shè)為高電平；當發(fā)射源和接收管之間處于透空的位置時，感應(yīng)裝置輸出的信號設(shè)為低電平。一個字輪所有感應(yīng)裝置的輸出構(gòu)成了這個字輪的信息編碼，從而可得到字輪上的數(shù)字。將每個字輪上的讀數(shù)傳送給無線收發(fā)模塊CC1020，并由其發(fā)送出去，便實現(xiàn)了水表的遠程抄讀。

1.2 無線通信模塊

無線通信模塊用于終端節(jié)點與集中器之間的數(shù)據(jù)通信。此模塊選用Chipcon公司的無線射頻芯片CC1020。CC1020是一種理想的超高頻單片收發(fā)器芯片，其基于 0.35 μm CMOS的 Chipcon的 SmartRF-2技術(shù)，低電流消耗(接收模式：19.9 mA)，低供給電壓(2.3 V~3.6 V)[3]，使用時只需極少的外部元件，其性能穩(wěn)定，并且采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)來提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力。通常情況下，在載波頻率是433 MHz、接口模特率是 9 600 kb/s時，空曠場所可靠傳輸距離可達800 m以上。

無線通信模塊電路如圖4所示。主要由晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路以及與微控制器的接口電路三部分組成。微控制器通過4線SPI總線與CC1020相連接，可實現(xiàn)無線通信模塊的工作模式設(shè)置、緩存讀/寫，以及狀態(tài)寄存器讀/寫等功能。

1.3 電源

系統(tǒng)供電選用型號是ER3415M鋰亞電池(鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池)，其標稱容量為14 500 mAh、額定電壓為3.6 V，能夠提供較高的能量比，具有非常好的溫度特性和極小的自放電，使用率可達90%以上[4]。電壓檢測芯片選擇的是小功率的MCP111芯片。檢測電壓設(shè)定無線模塊支持的最低電壓為3V，當電源電壓高于檢測電壓時，MCP111輸出保持高電平；若低于檢測電壓時輸出將變?yōu)榈碗娖?，并提醒電池電量的不足。電壓低提出報警后，仍能保證采集通信終端正常工作三個月，提供足夠更換電池的時間。

終端主要耗電部分為無線通信模塊CC1020和單片機Atmega128L。由數(shù)字萬用表DT9806測量采集通信終端休眠時電流約為14.7 μA，可算出休眠一天的電量消耗為 14.7 μA×24=352.8 μA。 運行時完成一次通信過程的平均電流為64.6 mA，一次通信時間為2 s，每天采集并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，一天的工作電量消耗為129.55 mA。在電池使用率為90%時，可以估算出采集通信終端電池可以使用10年以上。

2 軟件設(shè)計

2.1 集中器與采集器通信協(xié)議

為確保集中器與采集器之間能夠順暢地進行通信，采用主-從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式，設(shè)計通信協(xié)議如表1所示。

表1 信息幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)CJ/T188-2004《用戶計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》，幀起始符是表示一幀信息的開始，規(guī)定為68H；儀表類型是采集通信終端的水表類型，本終端為冷水表，儀表類型是10H；地址域是識別每個采集終端的唯一標識，由7個字節(jié)組成，每個字節(jié)為2位 BCD碼，地址長度為14位十進制數(shù)，最少可接入上千億個終端；控制碼定義了通信規(guī)則[5]；數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，用十六進制表示，讀終端數(shù)據(jù)時L不大于64H，寫終端數(shù)據(jù)時L不大于32H，L=0時無數(shù)據(jù)域；數(shù)據(jù)域為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)標識、序列號和數(shù)據(jù)；校驗碼用來檢驗該組數(shù)字的正確性，采用偶校驗；結(jié)束符標識一幀信息的結(jié)束，規(guī)定為16H。

字節(jié)格式為每字節(jié)含8位二進制碼，傳輸時加上一個起始位(0)、一個偶校驗位(E)和一個停止位(1)，共 11位，先傳低位后傳高位。

2.2 采集通信終端軟件設(shè)計

終端節(jié)點上的軟件負責完成用戶數(shù)據(jù)的實時采集，并通過無線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)包傳送至數(shù)據(jù)集中器。終端節(jié)點遵循休眠-被喚醒-正常工作-休眠的循環(huán)工作模式。在休眠狀態(tài)下，處理器停止工作，無線模塊處于休眠狀態(tài)。當終端接收到內(nèi)部定時器的喚醒命令后，終端節(jié)點被喚醒，處理器進行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等命令。為了確保集中器能夠收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，集中器要返回給終端節(jié)點一個收到數(shù)據(jù)指令。這樣做可以在軟件上盡量降低丟包率和系統(tǒng)的功耗。終端節(jié)點的軟件工作流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點工作流程

3 實驗數(shù)據(jù)分析

為了測量數(shù)據(jù)采集通信終端的丟包率和正確率，分別選取疊加厚度為70 cm的墻壁和空曠地帶進行了實驗。測試結(jié)果如表2所示。

對比在有障礙物和空曠地帶的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，障礙物的阻擋導致丟包率和正確率的下降、傳輸距離變小，嚴重影響了通信的可靠性。對比不同通信距離的空曠地帶數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傳輸距離越遠，丟包率越高、正確率越低。結(jié)合實驗結(jié)果及反復(fù)實驗情況，得出影響水表采集通信終端可靠性的主要因素有兩個：傳輸距離與障礙物的阻擋情況；其他無線技術(shù)的干擾。為了解決以上問題提高系統(tǒng)的可靠性，可采取如下措施：在硬件設(shè)置上提高發(fā)射功率；在軟件設(shè)計上，增加接收反饋幀以及超時重發(fā)。實驗證明，在數(shù)據(jù)采集通信終端在地下時，完全可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

低功耗無線水表數(shù)據(jù)采集通信終端的設(shè)計和研究，實現(xiàn)了地下水表數(shù)據(jù)抄收的功能，解決了地下水抄收困難的問題。相信這種自動抄表技術(shù)將會在工業(yè)節(jié)水方面得到很好的應(yīng)用和更好的發(fā)展，也會為水表、電表、氣表、熱表的融合提供更好的支持。

[1]國家環(huán)境保護總局.中國環(huán)境狀況公報2000年.2000.

[2]安慶敏，吳明光，仲玉芳.基于ZigBee的單環(huán)編碼直讀式無線遠傳水表[J].科技通報，2008，24(1)：52-55.

[3]Chipcon.CC1020 Perliminary data sheet.rev1.0.2006.

[4]王圣平.油田高溫鋰亞硫酰氯電池性能分析[J].國外測井技術(shù)，2005，20(3)：67-68.

[5]CJ/T188-2004用戶計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件[S].2004.